2015 فيزياء درجات احلرارة املنخفضة S.A/ أ

خالصة علم وجتربة وفكر متميز وخربة أكثر من ربع قرن فيزياءفى ال سلسلة الطريق اىل اجلامعة

)التربيد(فيزياء درجة احلرارة املنخفضة )Cryogenics:( ھو العلم الذى يھتم بدراسة سلوك المواد فى درجات الحرارة المنخفضة

٠)صفر كلفن(والتى تقترب من الصفر المطلق .المستخدم لقیاس درجات الحرارة المنخفضة ھو مقیاس كلفنالمقیاس : مالحظة : ويتمیز باآلتىتصوره العلماء غاز وھمىھو:

٠یتكون من جزیئات صغیرة تامة المرونھ -١ ٠حجم جزیئاتھ یمكن أھمالھا بالنسبة لحجم األناء -٢ ٠قوى الجذب المتبادل بین جزیئاتھ وبعضھا یمكن أھمالھا -٣ .ونظریة الحركة، القانون العام للغازات ینطبق علیھ -٤ ٠یتالشى كل من حجمھ وضغطھ عند درجة الصفر المطلق -٥

التنطبق علیھ قوانین الغازات عند الضغوط العالیة ودرجات الحرارة المنخفضة

تنطبق علیھ قوانین الغازات ونظریة الحركة

تنطبق علیھ نظریة الحركة للغازات التنطبق علیھ نظریة الحركة للغازات تماما نھمل فیھ حجم جزیئات الغاز النھمل فیھ حجم جزیئات الغاز

تظھر فیھ قوى فاندرفالز فى الضغوط العالیة والكثافة العالیة ودرجات الحرارة المنخفضة

ألنھ ) جذب المتبادلةقوى ال(التظھر فیھ قوى فانرفالز یھملھا

الیتالشى حجمھ وضغطھ عند الصفر المطلق ویكون طاقة سكون 0ko لجزیئاتھا عند

یتالشى كل من حجمھ وضغطھ وطاقة حركة جزیئاتھ )المطلق(عند صفر كلفن

بالنسبة لحجم األناء الذى يشغله الغاز حجم جزيئات الغازأھملت نظرية الحركة -١

لدرجة يصبح اإلناء ولكن عند الضغوط العالیة ودرجة الحرارة المنخفضة يقل حجم ٠معھا اھمال حجم الجزيئات خطأ بالنسبة لحجم األناء

وھذا يمكن قبوله فى قوى التجاذب بین جزيئات الغازأھملت نظرية الحركة - ٢المنخفض حیث تكون المسافات كبیرة بین الجزيئات درجات الحرارة العالیة والضغط

٠وتكون قوى التجاذب بینھما غیر مؤثرة ولكن فى الدرجات المنخفضة والضغط العالى يقل الحجم وتتقارب الجزيئات ٠فتظھر قوى التجاذب بین الجزيئات وبعضھا لدرجة اليمكن أھمالھا

خواص الغاز الحقيقى عن خواص الغاز المثالى حيث تظھر قوى الجذب عند زيادة الكثافة تختلف: ويالحظ أنه ٠بين الجزيئات وبعضھا وذلك لتقارب الجزيئات

: ھوالتأثیرالمتبادل بین الجزیئات الغازیة والذى یظھرفى صورة قوى تجاذب بین بین الذرات والذى یؤدى الى تكوین الجزیئات وھو یختلف عن التفاعل الكیمیائى الجزیئات وبعضھا

؟ .عند زيادة الضغط يظھر تأثیرفان در فالز بین جمیع الجزيئات -١اجتذاب جزيئات اخرى الیھم جزيئین معا نتیجة أقترابھما من بعض ثم يتتابعكل يتجاذب -٢

.وھكذاالى أن يتم انتقال المادة الى الحالة المكثفة سواء للحالة تزداد كثافة الغاز تدريجیا -٣

٠السائلة أو للحالة الجامدة

وينتج عن ذلك أنخفاض فى درجة حرارة ، يتم ذلك بواسطة سحب الطاقة من المادة -١ ٠ادة المراد تبريدھاالم

مالمسة مادة بأخرى مبردة : وسحب الطاقة من المادة يتم بعدة طرق مختلفة منھا -٢ ٠مسبقا عند درجة حرارة منخفضة جدا

أو الھواء السائل ) ثانى أكسید الكربون المثلج(والثلج الجافأمثال يستخدم الثلج العادى -٣ ٠فى تبريد المواد

النتروجین السائل، كما أمكن الوصول حرارةوھى درجة (Ko 77 )وقد تم الوصول الى درجة -٤ ٠وھى درجة الھلیوم المسال Ko 4.2الى درجة

2015 فيزياء درجات احلرارة املنخفضة S.A/ أ

خالصة علم وجتربة وفكر متميز وخربة أكثر من ربع قرن فيزياءفى ال سلسلة الطريق اىل اجلامعة

مقارنة بني تأثري فاندرفالز والتفاعل الكيميائى

یظھر فى الغاز الحقیقى عند درجات الحرارة المنخفضة والضغط العالى أى عند زیادة الكثافة

قد یتم عند درجة حرارة الغرفة والضغط العادى

یتأثر بوجود عوامل حفازة الیتاثر بوجود عوامل حفازة یتم بین الذرات یحدث نتیجة تقارب جزیئات الغاز

نتیجتھ تتحول المادة الى الحالة السائلة أو حتى أى تبقى المادة كما ھى) تكثیف الغاز(الجامدة

نتیجتھ تتكون مادةجدیدة

یتكون فیھ روابط جدیدة بین الذرات التتكون بین الجزیئات روابط جدیدة )Superfluidity( لسيولة الفائقةا

ائقة على التدفق دون مقاومة فھى خاصیة لبعض الغازات المسالة تجعلھا تتمیز بقدرتھا ال ٠تقترب من الصفر المطلقعند تبریدھا لدرجة حرارة ) دیم اللزوجةع(أو احتكاك

: الھلیوم المسال :)ماذا حيدث لسائل اهلليوم فى درجات احلرارة املنخفضة(

فائق السیولة -١ )صفر= لزوجته (تتالشى لزوجته كلیا -٢ ٠له وضد الجاذبیة يمتازبأمكانیة األنسیاب ألعلى دون توقف على جدران الوعاء الحاوى -٣ ٠حرارته النوعیة صغیرة جدا -٤ ٠موصال جیدا للحرارة -٥ ٠يتمدد بالتبريد -٦ ٠يتسرب حتى من خالل أضیق المسام -٧

:أمثلة للسلوك الغريب للمادة ذات السيولة الفائقة !!!!!!عندما يوضع الھلیوم المسال فى أنبوبة أختبار -١

ب الوعاء الذىنجد أن سائل الھلیوم ينساب ألعلى على جوان يحتويه وذلك ضد الجاذبیة األرضیة ، ثم ينسكب من أعلى األنبوبة

٠، والذى جاء منھا أسم الھلیوم بالغاز الھاربولذلك يسمى عندما يوضع السائل ذو السیولة الفائقة فى أناء وأدير األناء من سكون، فان السائل -٢

مثال دخان فى ( )صفر= ھذا السائل ألن لزوجة ( بداخله اليتحرك أبدا رغم دوران األناء )زجاجةتدور والدخان كما ھو ثابت اليتحرك

اذا وضع ضوء يلمع من أسفل أناء يحتوى على سائل ذو سیولة فائقة وكان -٣ ٠األناء مفتوح من أعلى نالحظ السائل يتدفق ألعلى على شكل نافورة

مقارنه بني سائل اهلليوم وسائل النرتوجني

77Koنقطة غلیانھ أعلى من )منخفضة( Ko 4.2نقطة غلیانھ حرارتھ النوعیة أعلى حرارتھ النوعیة أقل

أقل فى التوصیلیة الحراریة من أفضل الموصالت الحراریة الینساب ألعلى ینساب ألعلى دون توقف على جدار األناء الذى یحتویھ

یحفظ فى قارورة دیوار واحدة تخزینھ قارورتین یمأل ما بینھما بسائل النتروجین تستخدم فى )التالمس(أفضل من النتروجین السائل فى عملیة التبرید بطریقة

)s Flask ُ◌Dewar( قارورة ديوار عبارة عن وعاء معدنى أو زجاجى من البیركس مزدوج الجدار

٠وأنتقال الحرارة من داخلهومفرغ من الھواء لمنع تسرب :

عبارة عن وعاء زجاجى من البیركس مزدوج الجدار،وبین الجدارين لمنع أنتقال الحرارة بالتوصیل أو الحمل) علل(فراغ

) علل(وأسطح الجدران الداخلیة مطلیة بالفضة ٠لتقلیل أنتقال الحرارة باألشعاع

2015 فيزياء درجات احلرارة املنخفضة S.A/ أ

خالصة علم وجتربة وفكر متميز وخربة أكثر من ربع قرن فيزياءفى ال سلسلة الطريق اىل اجلامعة

الغازات السائلة ذات درجات الحرارة المنخفضة جدا،لتخزين

واألكسجین) 77Koنقطة علیانه (مثل النتروجین المسال ٠) 90Koنقطة غلیانه ( المسال

) 4.2Koنقطة غلیانه (أما بالنسبة لسائل الھلیوم ونظرا ألن حرارته النوعیة منخفضة وكذلك نقطة غلیانه

م لتخزينه أناءين من نوعیة قارورة ديوار بحیث يوضعيستخد ٠أحدھما فى اآلخر وتمأل المسافة الفاصلة بین األناءين بسائل النتروجین

غاز وحتوالتها الطاقة احلرارية الىت يكتسبها ٠الحرارة تنتقل عندما يكون ھناك أختالف فى درجة الحرارة بین النظام والوسط المحیط

Qth

الصورة الثانیة الصورة األولى )Δu( ھى زیادة طاقة الغاز الداخلیة

والتى تتمثل فى أرتفاع درجة حرارتھ الذى تبذلھ جزیئات الغاز) w(ھى الشغل

وهناك نوعان من التبادل احلرارى

ویعرفIsothermal تكون وفیھا: ٠درجة حرارة الغاز ثابتھ مع الوسط المحیط - ١퐔∆) الطاقة الداخلیة للغاز ثابتھ - ٢ = ퟎ) ٠كل الطاقة المكتسبة تتحول بالكامل الى شغل میكانیكى یبذلھ الغاز - ٣

∵ 푸풕풉 = ∆푾 + ∆푼 , ∵ ∆푼 = ퟎ ≫≫ ∴ ∆푸풕풉 = ∆푾

: ویعرفAdiabatic وفیھا: ٠يتم عزل الغاز حراريا عن الوسط المحیط -١ ) Qth= 0 (ال يكتسب أو يفقد أى كمیة حرارة مع الوسط المحیط به الغاز -٢ يتم على حساب طاقته الداخلیةالشغل المبذول من الغاز -٣

∵ ΔQth = Δw + Δu 0 =Qth , ∵

∴ 0 = Δw + Δu ∴ Δw = - Δu

:الغاز یبذل شغال فتكون -١)W ( موجبة وتصبح)Δu (أن الطاقة الداخلیة للغاز تنخفض سالبة أى ٠لذا یبرد الغازموجبة فتزداد الطاقة الداخلیة للغلز فترتفع Δuسالبة وتصبح ) Δw (إذا بذل شغل على الغاز تكون - ٢

٠درجة حرارتھ: علل( ٠ألن الشغل یبذل على حساب الطاقة الداخلیة

)علل( ألن الشغل المبذول على الغاز یتحول تماما الى طاقة داخلیة وھذه الزیادة فى الطاقة الداخلیة تسبب تغیر درجة

٠النظام الحرارة فى للعملیتین األیزوثرمیة ، واألدیباتیة ھى الثالجة والسائل المستخدم فى التبرید ھو غاز الفریون

30co - المسال أو بدائلھ حیث درجة غلیانھ

أسطح عاكسھ

فراغ

سائل

2015 فيزياء درجات احلرارة املنخفضة S.A/ أ

خالصة علم وجتربة وفكر متميز وخربة أكثر من ربع قرن فيزياءفى ال سلسلة الطريق اىل اجلامعة

تكون درجة حرارة الغازعنده ثابتھ مع الوسط المحیط

یتم فیھ عزل الغاز عن الوسط المحیط حراریا

الوسط المحیط معالیكتسب الغاز حرارة وال یفقد حرارة Δ u = 0الطاقة الداخلیة تكون ثابتھ Qth = 0

فى ھذا التبادل تتحول الطاقة المكتسبة Qth = Wبالكامل الى شغل یبذلھ الغاز

الشغل المبذول یتم على حساب طاقة الغاز الداخلیة فاذا بذل واذا بذل شغل على ٠الغاز شغال تنخفض طاقتھ الداخلیة

وترتفع درجة حرارة الغاز Δuالغاز تزید الطاقة الداخلبة الثالجة الكھربیة أوضح تطبیق على العملیة الثالجة الكھربیة أوضح تطبیق على العملیة

)Super Conductivity(التوصیل الفائقظاھرة البالتین، األلومنیوم، الزنك ، الرصاص ، الزئبق، وبعض (عندما تنخفض درجة حرارة بعض المواد مثل

:الى بعض درجات فوق الصفر المطلق فإن) المركبات المعدنیة صفر =المقاومة الكھربیة فى ھذه الحالة )أى أن( تفقد مقاومتھا المادة -١ ٠تصبح التوصیلیة الكھربیة لھذه المواد كبیرة جدا -٢ ٠تصبح قابلیة مرور التیار الكھربى خاللھا عالیة جدا -٣

بالكلفن والمقاومة) T( وعند رسم العالقة البیانیة بین نجد أنه عندما تنخفض درجة الحرارة تقل) R(الكھربیة )R ( ٠الى الصفرحتى تنعدم عند درجة معینه ثم تنخفض فجأة

تسمى بدرجة األنتقال ويتم ذلك عند درجة حرارة معینة ٠وتصبح المادة فى ھذه الحالة فائقة التوصیل) الدرجة الحرجة(

:لمعادن التوصیل الفائق وعندھا وھى صفة ممیزة) Tc(ھى درجة تبريد معینة

:اذا مر تیار كھربى فى حلقة من المواد فائقة التوصیل فان

٠حتى لو ازیل فرق الجھد الخارجى والمسبب لھ التیار یستمر فى ھذه الحلقة لعدة سنوات -١ ٠الیعانى من أى مقاومةھذا التیار -٢ ٠ طاقةیستمر دون فقد التیار -٣ ٠الفلز ال یسخن نتیجة مرور التیار الكھربى فیھ -٤لذلك تستخدم فى دوائر األستقبال وفى األقمار لھا مقدرة عالیة على ألتقاط أضعف األشارات الالسلكیة -٥

٠الصناعیةMeissner Effect

٠لحظة تقريب المغناطیس الدائم من القرص يتولد تیار تأثیرى فى القرص -١ ٠التیار التأثیرى المتولد يولد مجال مغناطیسى فى القرص -٢مع المجال المغناطیسى للمغناطیس فى القرص يتنافر المجال المغناطیسى المتولد -٣

٠الدائم فیظل المغناطیس الدائم معلقا فى الھواء فوق القرصالمغناطیسى المتولد فى القرص يستمر ألستمرار التیار التأثیرى حتى بعد زوال المجال -٤

)وھذا يسمى ظاھرة مايسنر( ٠المجال المغناطیسى الدائم والمسبب له

المواد الفائقة التوصیل من نوع المواد المغناطیسیة التى تنعدم داخلھا شدة المجال -١ ٠)ناطیسیةمواد دايا مغ( المغناطیسى

ونظرا ألن ھذه المواد مقاومتھا الكھربیة منعدمة لذلك يؤثر مجال المغناطیس الدائم -٢بسھولة على األلكترونات الحرة فى المادة فائقة التوصیل مما يجعلھا تحتفظ بطاقة

٠حركتھا فیستمر سريان التیار الكھربى داخلھاالمتولد داخل المادة فائقة التوصیل البد وان يكون أتجاھه عكس المجال المغناطیسى -٣

أتجاه المجال المغناطیسى الخارجى المولد له بحیث تكون المحصلة داخل ھذه المادة ٠صفر= دائما

R باألوم

T كلفن TC الدرجة الحرجة

2015 فيزياء درجات احلرارة املنخفضة S.A/ أ

خالصة علم وجتربة وفكر متميز وخربة أكثر من ربع قرن فيزياءفى ال سلسلة الطريق اىل اجلامعة

:حیث) القطار الطائر(فى تصمیم القطارات فائقة السرعة : أوال

٠فائقة التوصیل يحمل القطار ملفات من مادة -١ ٠عندما يتحرك القطار فأنه يولد تیار فى ملفات ثابتة عمودية تولد مجاال مغناطیسیا -٢ ٠يتنافر المجاالن المغناطیسیان فیرتفع القطار فوق القضبان عدة سنتیمترات -٣ ٠نتیجة ذلك يزول األحتكاك مع القضبان وكأن القطار يتحرك فوق وسادة ھوائیة -٤ ٠س/كم 225تبلغ سرعة القطار الطائر -٥استخدامت المواد فائقة التوصیل فى محطات تولید القوى الكھربیة وفى خطوط : ثانیا

٠نقل الكھرباء ألنعدام المقاومة وبالتالى اليكون ھناك فقد فى الطاقة ٠تستخدم فى صناعة ھوائى األقمار الصناعیة: ثالثان مواد فائقة التوصیل فى التصوير بالرنین تستخدم مغناطیسیات خاصة م: رابعا

٠المغناطیسى