الدرس الثاني 03 - PDF

الحفاظ على الموارد البيئية **استعد** هل تساءلت يومًا عن كيفية تأثير الأنشطة اليومية، مثل قيادة السيارات أو استخدام المواد الكيميائية في المنزل، على البيئة؟ في هذا الدرس، سنستعرض كيفية تأثير الأنشطة البشرية على الموارد البيئية، وكيفية الحفاظ عليها باستخدام مبادئ الكيمياء والفيزياء وعلوم الحياة. سنت...

الحفاظ على الموارد البيئية **استعد** هل تساءلت يومًا عن كيفية تأثير الأنشطة اليومية، مثل قيادة السيارات أو استخدام المواد الكيميائية في المنزل، على البيئة؟ في هذا الدرس، سنستعرض كيفية تأثير الأنشطة البشرية على الموارد البيئية، وكيفية الحفاظ عليها باستخدام مبادئ الكيمياء والفيزياء وعلوم الحياة. سنتعلم كيف يمكننا تطبيق هذه المفاهيم العلمية لتطوير استراتيجيات فعالة للحفاظ على البيئة. **تعلم** كفاءة أنظمة تحويل الطاقة وتأثيرها على البيئة - تشير كفاءة نظام تحويل الطاقة إلى مدى قدرته على تحويل صورة من صور الطاقة إلى صورة الطاقة المطلوبة بفاعلية. - الأنظمة الأعلى كفاءة هي التي تقلل من إنتاج الطاقة غير المرغوبة، مما يؤدي إلى خفض معدلات استهلاك الطاقة وتحقيق استفادة أفضل من الموارد المتاحة. **نشاط بحثي** **تعاون مع مجموعة من زملائك** للبحث عن أكبر عدد ممكن من الأجهزة الكهربائية التي تتميز بكفاءة طاقية مرتفعة، وأخرى ذات كفاءة طاقية منخفضة. حدد أهم مؤشرات الكفاءة الطاقية للأجهزة المستهدفة. **المفاهيم الأساسية في الديناميكا الحرارية** **الديناميكا الحرارية**: هو علم يهتم بدراسة الطاقة وتحولاتها في العمليات الفيزيائية، التفاعلات الكيميائية، والعمليات الحيوية. **مثال تطبيقي:** عند إضافة محلول حمض الهيدروكلوريك إلى محلول هيدروكسيد\ الصوديوم القلوي في دورق زجاجي: - **النظام:** يتكون من محلولي الحمض والقلوي اللذين يتفاعلان داخل الدورق. - **حدود النظام:** هي جدران الدورق الزجاجي التي تحيط بمكونات التفاعل. - **الوسط المحيط:** هو باقي الكون حول الدورق الزجاجي، مثل الهواء والغرفة. **أنواع الأنظمة في الديناميكا الحرارية** بناءً على الطريقة التي يتبادل بها النظام الطاقة والمادة مع الوسط المحيط، تم تصنيف الأنظمة إلى عدة أنواع: **خواص النظام (Properties of a System)** يمكن تصنيف الخواص الفيزيائية للنظام إلى مجموعتين: 1. 2. **قوانين الديناميكا الحرارية** تساعد قوانين الديناميكا الحرارية في تفسير التحولات الفيزيائية والتفاعلات الكيميائية في الأجسام الحية وغير الحية. **الطاقة الداخلية للنظام** - **تعريفها:** الطاقة الداخلية (U) هي مجموع طاقة حركة الجزيئات وطاقة الوضع الناتجة عن قوى التجاذب بينها. - يمكننا إحداث تغيير في الطاقة الداخلية **(ΔU)** لنظام ما بإحدى الطريقتين التاليتين: 1. 2. بذل النظام شغلًا **(ΔW)** ضد قوة خارجية مؤثرة عليه، أو بذل شغل على النظام. الصيغة الرياضية للقانون الأول للديناميكا الحرارية: **ΔU = ΔQ - ΔW** **حيث:** - - تكون ΔW موجبة (+) إذا بذل النظام شغلًا على الوسط المحيط، وسالبة (−) إذا بذل الوسط المحيط شغلًا على النظام. **أنواع العمليات الديناميكية الحرارية** هذه العمليات تمثل سيناريوهات مختلفة تعتمد على الثوابت والظروف المحيطة بالنظام: 1. - **مثال:** الانضغاط السريع لكمية من غاز محبوس دون تبادل حراري. 2. - **مثال:** انصهار الجليد وغليان الماء يتم عند درجة حرارة ثابتة. 3. **العملية الأيزوكورية (Isochoric Process):** إذا لم يتغير الحجم الذي يشغله النظام، وبالتالي لا يوجد شغل مبذول من النظام أو الوسط المحيط، فإن: (ΔW = 0) ، وبالتالي (ΔQ = ΔU). - **مثال:** تسخين الماء في إناء مغلق (مثل حلة الضغط). **أمثلة على القانون الأول للديناميكا** - **المصباح الكهربائي:** عندما يعمل المصباح الكهربائي، تتحول الطاقة الكهربائية المستمدة من المصدر الكهربائي إلى طاقة حرارية وطاقة ضوئية في فتيلة المصباح. وبالتالي، يتم تحويل صورة من صور الطاقة (الكهربائية) إلى صورتين أخريين (حرارية وضوئية). - **مثال تطبيقي** إذا انضغط غاز ببطء شديد داخل اسطوانة حتى نصف حجمه الأصلي مع ثبات درجة الحرارة، وكان الشغل المبذول 45 جول، احسب ما يلي: 1. **مقدار التغير في الطاقة الداخلية للنظام.** 2. 1. بما أن **درجة الحرارة ثابتة**، فإن الطاقة الداخلية تظل ثابتة، وبالتالي: ΔU = 0 2. باستخدام **القانون الأول للديناميكا الحرارية**، الذي ينص على أن التغير في الطاقة الداخلية للنظام (ΔU) يساوي الحرارة التي تنتقل إلى النظام (ΔQ) ناقص الشغل المبذول(ΔW): ΔU = ΔQ -- ΔW **البحث والاستقصاء:** من خلال استخدام مواقع البحث الموثوقة، قم بتحليل عملية فيزيائية أو كيميائية أو حيوية في أحد الكائنات الحية، مع التركيز على تطبيقات عمليات وقوانين علم الديناميكا الحرارية. **كفاءة عمليات تحولات الطاقة** تعبر كفاءة عمليات الطاقة عن نسبة الطاقة المفيدة التي يتم نقلها عبر مستويات مختلفة مقارنة بالطاقة الداخلة. فكلما زادت كفاءة الطاقة في التحويل، زاد مقدار الطاقة المستفاد منها في العمليات الحيوية في الكائنات الحية. **مثال تطبيقي:** - **بداية الطاقة وتحويلها في النباتات**: تبدأ الطاقة في النظام البيئي بضوء الشمس كمصدر رئيسي، حيث يتم تحويلها إلى طاقة كيميائية في النباتات عبر عملية البناء الضوئي. - **انتقال الطاقة إلى الحيوانات**: تنتقل الطاقة الكيميائية المخزنة في النباتات إلى الحيوانات على هيئة طاقة حركية عند التغذي عليها. - **فقدان الطاقة كحرارة وثباتها الكلي**: في كل مرحلة من هذه التحولات، يتم فقد جزء من الطاقة كحرارة، مما يقلل من كفاءة انتقال الطاقة بين المستويات الغذائية. ورغم هذا الفقد، يظل مجموع الطاقة الكلي ثابتًا وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية. **الكيمياء والطاقة: العلاقة بين التفاعلات الكيميائية وبقاء الطاقة** تُعبر التفاعلات الكيميائية عن العمليات التي تحدث بين المواد المتفاعلة لإنتاج مواد ناتجة، ويمكن تمثيلها على هيئة معادلة كيميائية كما يلي: **المعادلة الكيميائية:**\ مواد متفاعلة (Reactants) ← مواد ناتجة (Products) في الكيمياء، يتم قياس كميات المواد المتفاعلة والناتجة بوحدة \"المول \"(Mole). **مثال: في جزيء الماء (H₂O)، الكتلة الجزيئية هي مجموع الكتل الذرية لذرتين من الهيدروجين (H) وذرة واحدة من الأوكسجين (O).** الكتلة الذرية للهيدروجين = 1 وحدة كتلة ذرية. الكتلة الذرية للأوكسجين = 16 وحدة كتلة ذرية. إذن، الكتلة الجزيئية للماء = (2 × 1) + 16 = 18 وحدة كتلة ذرية. وبالتالي تكون كتلة مول واحد من الماء = 18 جرامًا. وبنفس الطريقة تكون كتلة المول من ثاني أكسيد الكربون (CO~2~) =44 جرامًا. **المحتوى الحراري (H):** يمثل المحتوى الحراري كمية الطاقة الكيميائية المختزنة داخل مول واحد من المادة. وتُختزن هذه الطاقة في ذرات المادة وجزيئاتها، وفي الروابط الكيميائية، وكذلك في قوى الجذب بين الجزيئات. ونظرًا لاختلاف أنواع الذرات وعددها، بالإضافة إلى تنوع الروابط بين الجزيئات، يختلف المحتوى الحراري من مادة لأخرى. **التغير في المحتوى الحراري (ΔH):** التغير في المحتوى الحراري هو الفرق بين مجموع المحتوى الحراري للمواد الناتجة ومجموع المحتوى الحراري للمواد المتفاعلة. **أنواع التفاعلات الكيميائية حسب التغير في المحتوى الحراري (ΔH):** 1. **التفاعلات الطاردة للحرارة:** - هي التفاعلات التي تطلق حرارة إلى الوسط المحيط، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارته. - في هذا النوع من التفاعلات، يكون مجموع المحتوى الحراري للمتفاعلات أعلى من مجموع المحتوى الحراري للنواتج، وتكون إشارة (ΔH) سالبة. 2. **التفاعلات الماصة للحرارة:** - هي التفاعلات التي تمتص حرارة من الوسط المحيط، مما يؤدي إلى انخفاض درجة حرارته. - في هذا النوع من التفاعلات، يكون مجموع المحتوى الحراري للمتفاعلات أقل من مجموع المحتوى الحراري للنواتج، وتكون إشارة (ΔH) موجبة. **وحدات قياس كمية الحرارة:** **أسباب التغير الحراري في التفاعلات الكيميائية:** أثناء التفاعل الكيميائي، يتم كسر روابط كيميائية في جزيئات المواد المتفاعلة وتكوين روابط جديدة في المواد الناتجة، بحيث نجد أن: - كسر الرابطة يحتاج إلى قدر من الطاقة من الوسط المحيط: - تكوين الروابط يصاحبه انطلاق قدر من الطاقة إلى الوسط المحيط:  وبناءً على ذلك، يكون التفاعل الكيميائي: - - ولتحديد نوع التغير الحرارى في تفاعل كيميائي، يلزمنا معرفة **طاقة الرابطة**، وهي الطاقة اللازمة لكسر أو تكوين الروابط في مول واحد من المادة، وتقاس بالكيلوجول لكل مول. وباستخدام قيم طاقة الرابطة يمكننا تحديد إذا ما كان التفاعل طارد أم ماص للحرارة، وقيمة التغيير الحراري الحادث أثناء التفاعل الكيميائي.  **البحث والاستقصاء** **تحليل الديناميكا الحرارية وكفاءة الطاقة وتأثير الملوثات على البيئة** باعتبارك متخصصًا في العلوم البيئية وتعمل في مختبر بحوث زراعية، هدفك هو فهم تأثير الديناميكا الحرارية على كفاءة الطاقة في النظام البيئي، ستقوم بتحليل نتائج تجربة نموذجية. **بيانات التجربة:** تمت دراسة نمو نباتين من نفس النوع وفي نفس فترة النمو تحت مستويات ضوئية مختلفة: - - **نبات B:** تحت ضوء 1000 لوكس +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | نبات A | نبات B | المتغيرات | | | | | | تحت ضوء 2000 لوكس | تحت ضوء 1000 لوكس | | +=======================+=======================+=======================+ | 30 سم | 20 سم | **الطول النهائي** | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | 100 جرام | 60 جرام | **الكتلة النهائية** | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ | 2 لتر | 2 لتر | **كمية الماء** | +-----------------------+-----------------------+-----------------------+ **المطلوب:** استنادًا إلى البيانات، كيف يمكنك مقارنة كفاءة تحولات الطاقة بين النبات A والنبات B؟ استخدم قانون الديناميكا الحرارية الأول لشرح كيفية تأثير مستوى الضوء على معدل النمو والطاقة المخزنة في النباتات. **المناقشة:** **عند مقارنة النباتين:** قانون الديناميكا الحرارية الأول ينص على أن الطاقة لا تفنى ولا تُستحدث، بل تتحول من شكل إلى آخر. في هذه الحالة، الطاقة الضوئية التي يمتصها النبات من الشمس تتحول إلى طاقة كيميائية في شكل سكر من خلال عملية البناء الضوئي. - النبات A (تحت ضوء 2000 لوكس): نموه أسرع وأكبر، حيث بلغ طوله 30 سم وكتلته 100 جرام. - النبات B (تحت ضوء 1000 لوكس): نموه أبطأ وأقل، حيث بلغ طوله 20 سم وكتلته 60 جرامًا. **تحليل البيانات:** تأثير الضوء على النمو: الضوء هو مصدر الطاقة الأساسية في عملية البناء الضوئي، وكلما كان مستوى الضوء أعلى، زادت قدرة النبات على امتصاص الطاقة وتحويلها إلى طاقة كيميائية. - النباتات تحت ضوء 2000 لوكس (مثل النبات A) تحصل على طاقة أكبر، مما يؤدي إلى نمو أسرع وزيادة في الكتلة الحيوية. - النباتات تحت ضوء 1000 لوكس (مثل النبات B) تحصل على طاقة أقل، مما يقلل من معدل البناء الضوئي والنمو. كفاءة تحولات الطاقة النبات الذي يتلقى ضوءًا أقوى (2000 لوكس) يحول طاقة ضوء أكثر إلى طاقة كيميائية، مما يعزز كفاءته في تحويل الطاقة مقارنة بالنبات الذي يتلقى ضوءًا أقل (1000 لوكس). معدل الطاقة المخزنة النبات الذي يحصل على ضوء أكثر يخزن طاقة كيميائية أكبر، مما يؤدي إلى زيادة في الكتلة الحيوية والنمو.