تتكون المادة من جسيمات صغيرة جدًا (ذرات أو جزيئات) تتحرك باستمرار وتتجاذب. وبحسب طاقة حركة الجسيمات وقوة التجاذب بينها توجد المادة عادة في ثلاث حالات: صلبة وسائلة وغازية.
Matter is made of very small particles (atoms or molecules) that are always moving and attract one another. According to the kinetic energy of the particles and the strength of the attraction between them, matter normally exists in three states: solid, liquid and gas.
ترتيب الجسيمات في الحالات الثلاث: متراصة في الصلب، متقاربة في السائل، متباعدة في الغاز.
Arrangement of the particles in the three states: packed in the solid, close in the liquid, far apart in the gas.
| الخاصيةProperty | الصلبSolid | السائلLiquid | الغازGas |
|---|---|---|---|
| الشكلShape | ثابتfixed | يأخذ شكل الإناءtakes the shape of the container | يأخذ شكل الإناءtakes the shape of the container |
| الحجمVolume | ثابتfixed | ثابتfixed | غير ثابت (يملأ الحيز كله)not fixed (fills all the space) |
| المسافات بين الجسيماتSpacing | متراصة جدًاvery close | متقاربةclose | متباعدة جدًاvery far apart |
| حركة الجسيماتMotion | اهتزاز حول مواضع ثابتةvibration about fixed positions | انزلاق وتبدل أماكنsliding and changing places | حركة حرة سريعةfast free motion |
| القابلية للانضغاطCompressibility | لا تنضغط تقريبًاalmost incompressible | لا تنضغط تقريبًاalmost incompressible | تنضغط بسهولةeasily compressed |
| الانسياب (مائع؟)Flow (fluid?) | لاno | نعمyes | نعمyes |
المائع هو المادة التي ليس لها شكل معين بل تأخذ شكل الإناء الذي يحويها، وتتميز بقدرتها على الانسياب. والسوائل والغازات كلاهما موائع.
A fluid is a substance that has no definite shape but takes the shape of its container, and is characterised by its ability to flow. Liquids and gases are both fluids.
تنقسم الموائع إلى: قابلة للانضغاط مثل الغازات (الهواء)، وغير قابلة للانضغاط عمليًا مثل السوائل (الماء).
Fluids are divided into compressible fluids such as gases (air), and practically incompressible fluids such as liquids (water).
في الغاز تكون المسافات بين الجسيمات كبيرة جدًا مقارنة بحجم الجسيم نفسه، فإذا ضغطنا الغاز اقتربت الجسيمات فقل الحجم بسهولة. أما في السائل فالجسيمات متلامسة تقريبًا فلا يوجد فراغ يُذكر يمكن أن تنضغط إليه، ولذلك ينقل السائل الضغط كما هو (وهذا أساس مبدأ باسكال لاحقًا).
In a gas the distances between particles are very large compared with the size of a particle, so when we press the gas the particles come closer and the volume decreases easily. In a liquid the particles are almost touching, so there is little empty space for them to be squeezed into; therefore a liquid transmits pressure as it is (the basis of Pascal's principle later).
وللمادة حالة رابعة هي البلازما (غاز متأين كما في الشمس والبرق)، لكن درسنا يهتم بالحالات الثلاث الشائعة.
Matter also has a fourth state, plasma (an ionised gas as in the Sun and in lightning), but this lesson deals with the three common states.
حرّك مؤشر الحرارة من الأقل إلى الأعلى وراقب الجسيمات: في الحالة الصلبة تهتز حول مواضع ثابتة، وفي السائلة تنزلق وتتبدل أماكنها لكنها تبقى متقاربة وتتخذ شكل الإناء، وفي الغازية تتحرك بسرعة وتملأ الإناء كله. ويلخص الجدول أسفل الرسم خصائص كل حالة.
Move the heat slider from low to high and watch the particles: in the solid state they vibrate about fixed positions, in the liquid state they slide and change places but stay close together and take the shape of the container, and in the gas state they move fast and fill the whole container. The readouts below the picture summarise the properties of each state.
أي حالات المادة التالية لها شكل ثابت وحجم ثابت؟
Which of the following states of matter has a fixed shape and a fixed volume?
أي مما يلي يُعد مائعًا قابلًا للانضغاط؟
Which of the following is a compressible fluid?
الضغط هو القوة العمودية المؤثرة على سطح ما مقسومة على مساحة هذا السطح:
Pressure is the perpendicular force acting on a surface divided by the area of that surface:
\[P=\dfrac{F}{A}\qquad\left(1\ \mathrm{Pa}=1\ \mathrm{N/m^2}\right)\]
للقوة نفسها يكون الضغط أكبر كلما قلّت المساحة (علاقة عكسية)، ولذلك يقطع السكين الحاد بسهولة وتغوص المسمار في الخشب بينما يمنعك الحذاء العريض (أو الزلاجات) من الغوص في الثلج. ولنفس المساحة يزداد الضغط بزيادة القوة (علاقة طردية).
For the same force the pressure is larger the smaller the area (inverse relation); this is why a sharp knife cuts easily and a nail sinks into wood, while wide shoes (or skis) keep you from sinking in the snow. For the same area the pressure increases with the force (direct relation).
عند الوقوف تكون القوة العمودية على الأرض هي وزنك \(F_g=mg\).
When you stand, the perpendicular force on the ground is your weight \(F_g=mg\).
يقف طالب كتلته \(60\ \mathrm{kg}\) على طاولة، والمساحة التي تشغلها قدماه \(0.05\ \mathrm{m^2}\). احسب الضغط المؤثر على سطح الطاولة. (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
A student of mass \(60\ \mathrm{kg}\) stands on a table, and the area occupied by their feet is \(0.05\ \mathrm{m^2}\). Find the pressure acting on the surface of the table. (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
قوة عمودية مقدارها \(500\ \mathrm{N}\) تؤثر على مساحة \(0.25\ \mathrm{m^2}\). ما الضغط؟
A perpendicular force of \(500\ \mathrm{N}\) acts on an area of \(0.25\ \mathrm{m^2}\). What is the pressure?
جسيمات الغاز تتحرك بسرعات كبيرة في كل اتجاه وتصطدم بجدران الإناء، وكل اصطدام يعطي الجدار دفعة صغيرة؛ ومجموع هذه الدفعات على وحدة المساحة هو ضغط الغاز. فكلما زاد عدد الاصطدامات في الثانية أو زادت قوتها زاد الضغط.
Gas particles move very fast in every direction and collide with the walls of the container; each collision gives the wall a tiny push, and the sum of these pushes per unit area is the gas pressure. The more collisions per second, or the stronger they are, the larger the pressure.
في قوانين الغازات تُستعمل دائمًا درجة الحرارة المطلقة بالكلفن: \(T(\mathrm{K})=t(^{\circ}\mathrm{C})+273\). فالصفر المطلق (\(0\ \mathrm{K}\)) هو أدنى درجة حرارة ممكنة، وتتناسب طاقة حركة الجسيمات طرديًا مع \(T\) بالكلفن. مثال: \(27^{\circ}\mathrm{C}=300\ \mathrm{K}\).
In the gas laws we always use the absolute temperature in kelvin: \(T(\mathrm{K})=t(^{\circ}\mathrm{C})+273\). Absolute zero (\(0\ \mathrm{K}\)) is the lowest possible temperature, and the kinetic energy of the particles is directly proportional to \(T\) in kelvin. Example: \(27^{\circ}\mathrm{C}=300\ \mathrm{K}\).
يتناسب حجم كمية محددة من الغاز عكسيًا مع الضغط الواقع عليه عند ثبوت درجة الحرارة.
The volume of a fixed amount of gas is inversely proportional to the pressure on it at constant temperature.
\[P_1V_1=P_2V_2\quad\left(P\propto\dfrac{1}{V}\right)\]
شروط التطبيق: ثبات درجة الحرارة، وثبات كمية الغاز، وغاز مثالي (لا توجد قوى بين جزيئاته)، وضغط معتدل غير مرتفع جدًا.
Conditions: constant temperature, a fixed amount of gas, an ideal gas (no forces between its molecules) and a moderate pressure that is not very high.
غاز حجمه \(4.0\ \mathrm{L}\) تحت ضغط \(100\ \mathrm{kPa}\). ضُغط عند ثبوت درجة الحرارة حتى أصبح حجمه \(1.6\ \mathrm{L}\). ما الضغط الجديد؟
A gas of volume \(4.0\ \mathrm{L}\) is under a pressure of \(100\ \mathrm{kPa}\). It is compressed at constant temperature until its volume is \(1.6\ \mathrm{L}\). What is the new pressure?
ما العلاقة بين الحجم والضغط لغاز عند ثبوت درجة الحرارة؟
What is the relation between the volume and the pressure of a gas at constant temperature?
يتناسب حجم كمية محددة من الغاز طرديًا مع درجة حرارته المطلقة عند ثبوت الضغط (صاغه الفرنسي جاك شارل عام 1787).
The volume of a fixed amount of gas is directly proportional to its absolute temperature at constant pressure (formulated by the Frenchman Jacques Charles in 1787).
\[\dfrac{V_1}{T_1}=\dfrac{V_2}{T_2}\quad\left(V\propto T\right)\]
ملاحظات: استعمل الكلفن دائمًا، ويجب أن يبقى الضغط ثابتًا، والقانون للغاز المثالي.
Notes: always use kelvin, the pressure must stay constant, and the law is for an ideal gas.
غاز حجمه \(2\ \mathrm{L}\) عند \(300\ \mathrm{K}\) وضغط ثابت. ما حجمه عند \(450\ \mathrm{K}\)؟
A gas has a volume of \(2\ \mathrm{L}\) at \(300\ \mathrm{K}\) and constant pressure. What is its volume at \(450\ \mathrm{K}\)?
غاز حجمه \(6\ \mathrm{L}\) عند \(27^{\circ}\mathrm{C}\) سُخّن عند ضغط ثابت إلى \(127^{\circ}\mathrm{C}\). ما حجمه الجديد؟
A gas of volume \(6\ \mathrm{L}\) at \(27^{\circ}\mathrm{C}\) is heated at constant pressure to \(127^{\circ}\mathrm{C}\). What is its new volume?
يتناسب ضغط كمية محددة من الغاز طرديًا مع درجة حرارته المطلقة عند ثبوت الحجم (ينسب إلى العالم الفرنسي جوزيف لويس غاي-لوساك).
The pressure of a fixed amount of gas is directly proportional to its absolute temperature at constant volume (named after the French scientist Joseph Louis Gay-Lussac).
\[\dfrac{P_1}{T_1}=\dfrac{P_2}{T_2}\quad\left(P\propto T\right)\]
شروط التطبيق: غاز مثالي، وكتلة غاز ثابتة، وحجم ثابت، ودرجات حرارة مطلقة بالكلفن. في الغازات الحقيقية تظهر انحرافات عند الضغوط العالية.
Conditions: an ideal gas, a fixed mass of gas, a constant volume and absolute temperatures in kelvin. Real gases deviate at high pressures.
غاز ضغطه \(2\ \mathrm{atm}\) عند \(300\ \mathrm{K}\) في أسطوانة حجمها ثابت. ما ضغطه عند تسخينه إلى \(400\ \mathrm{K}\)؟
A gas at \(2\ \mathrm{atm}\) and \(300\ \mathrm{K}\) is in a cylinder of constant volume. What is its pressure when heated to \(400\ \mathrm{K}\)?
ضغط غاز في وعاء مغلق \(150\ \mathrm{kPa}\) عند \(300\ \mathrm{K}\). إذا بُرّد إلى \(200\ \mathrm{K}\) فإن ضغطه:
The pressure of a gas in a closed vessel is \(150\ \mathrm{kPa}\) at \(300\ \mathrm{K}\). If it is cooled to \(200\ \mathrm{K}\) its pressure becomes:
لكمية ثابتة من الغاز المثالي يكون حاصل ضرب الضغط في الحجم مقسومًا على درجة الحرارة المطلقة مقدارًا ثابتًا:
For a fixed amount of an ideal gas the product of the pressure and the volume divided by the absolute temperature is constant:
\[\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}=\text{constant}\]
ومنه تُستنتج القوانين الثلاثة: عند \(T\) ثابتة نحصل على بويل، وعند \(P\) ثابت على شارل، وعند \(V\) ثابت على غاي-لوساك.
The three laws follow from it: constant \(T\) gives Boyle's law, constant \(P\) gives Charles's law and constant \(V\) gives Gay-Lussac's law.
يربط القانون بين المتغيرات الأربعة معًا:
This law links all four variables together:
\[PV=nRT\qquad R=8.31\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\]
\(n\): عدد المولات، \(R\): ثابت الغازات العام. استعمل الوحدات الدولية: \(P\) بالباسكال و\(V\) بالمتر المكعب (\(1\ \mathrm{L}=10^{-3}\ \mathrm{m^3}\)) و\(T\) بالكلفن.
\(n\): number of moles, \(R\): the universal gas constant. Use SI units: \(P\) in pascals, \(V\) in cubic metres (\(1\ \mathrm{L}=10^{-3}\ \mathrm{m^3}\)) and \(T\) in kelvin.
اختر القانون ثم غيّر المتغير المتاح. تمثل النقاط الحمراء جسيمات الغاز داخل أسطوانة ذات مكبس: تزداد سرعتها بارتفاع درجة الحرارة، وعدد اصطداماتها بالجدار في الثانية هو ما نقيسه كضغط. يظهر المنحنى العلاقة بين المتغيرين والنقطة الحمراء الموضع الحالي، ويعرض الجدول المقدار الثابت في كل قانون.
Choose the law and change the variable available. The red dots are gas particles inside a cylinder with a piston: their speed grows with temperature, and the number of their collisions with the wall per second is what we measure as pressure. The curve shows the relation between the two variables, the red dot is the present position, and the readout shows the quantity that stays constant in each law.
غاز حجمه \(3.0\ \mathrm{L}\) وضغطه \(100\ \mathrm{kPa}\) عند \(300\ \mathrm{K}\). ما حجمه عندما يصبح ضغطه \(150\ \mathrm{kPa}\) ودرجة حرارته \(400\ \mathrm{K}\)؟
A gas has a volume of \(3.0\ \mathrm{L}\) and a pressure of \(100\ \mathrm{kPa}\) at \(300\ \mathrm{K}\). What is its volume when its pressure becomes \(150\ \mathrm{kPa}\) and its temperature \(400\ \mathrm{K}\)?
احسب حجم مول واحد من غاز مثالي عند \(273\ \mathrm{K}\) وضغط \(101\,325\ \mathrm{Pa}\) (الظروف المعيارية).
Calculate the volume of one mole of an ideal gas at \(273\ \mathrm{K}\) and a pressure of \(101\,325\ \mathrm{Pa}\) (standard conditions).
غاز حجمه \(3\ \mathrm{L}\) وضغطه \(200\ \mathrm{kPa}\) عند \(300\ \mathrm{K}\). ضُغط إلى \(2\ \mathrm{L}\) وسُخّن إلى \(450\ \mathrm{K}\). ما ضغطه النهائي؟
A gas of volume \(3\ \mathrm{L}\) and pressure \(200\ \mathrm{kPa}\) at \(300\ \mathrm{K}\) is compressed to \(2\ \mathrm{L}\) and heated to \(450\ \mathrm{K}\). What is its final pressure?
ما ضغط \(2\ \mathrm{mol}\) من غاز مثالي في وعاء حجمه \(10\ \mathrm{L}\) عند \(300\ \mathrm{K}\)؟ (\(R=8.31\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\))
What is the pressure of \(2\ \mathrm{mol}\) of an ideal gas in a vessel of volume \(10\ \mathrm{L}\) at \(300\ \mathrm{K}\)? (\(R=8.31\ \mathrm{J/(mol\cdot K)}\))
جزيئات السائل قريبة بعضها من بعض فتتجاذب بقوى كهربائية ضعيفة نسبيًا مقارنة بالجوامد، ولهذا يتخذ السائل شكل الإناء الذي يوضع فيه ويحتفظ بحجمه. وتسمى هذه القوى بين الجزيئات المتماثلة قوى التماسك.
The molecules of a liquid are close to each other and attract one another with electric forces that are weaker than in solids. For this reason a liquid takes the shape of its container yet keeps its volume. These forces between like molecules are called cohesive forces.
قوى التماسك هي قوى التجاذب المتبادلة بين جزيئات المادة الواحدة، وهي التي تجبر جزيئات السائل على الاحتفاظ بشكل معين وعلى البقاء متقاربة.
Cohesive forces are the mutual attractive forces between the molecules of the same substance; they keep the molecules of a liquid close together and give the liquid a definite form.
جزيء داخل السائل تجذبه الجزيئات المجاورة من كل الاتجاهات بقوى متساوية، أما جزيء السطح فيُجذب نحو الداخل فقط.
A molecule inside the liquid is pulled equally in all directions by its neighbours, while a molecule at the surface is pulled inward only.
داخل السائل: يحيط بالجزيء جزيئات من كل الجهات فيتأثر بقوى تجاذب متساوية في جميع الاتجاهات، فتكون محصلة القوى عليه صفرًا.
Inside the liquid: the molecule is surrounded by neighbours on all sides, so the attractive forces on it are equal in every direction and their resultant is zero.
على السطح: لا توجد جزيئات سائلة فوق جزيء السطح (فوقه هواء قليل الكثافة)، فيُجذب إلى الأسفل وإلى الجانبين فقط، وتكون محصلة القوى عليه نحو داخل السائل.
At the surface: there are no liquid molecules above a surface molecule (only low-density air), so it is pulled downward and sideways only, and the resultant force on it points into the liquid.
تجذب القوى المحصلة جزيئات السطح نحو الداخل، فيميل السطح إلى التقلص ليأخذ أصغر مساحة ممكنة، ويتصرف كأنه غشاء مشدود. تسمى هذه الظاهرة التوتر السطحي، ويقاس بالقوة المؤثرة على وحدة الطول من السطح (\(\mathrm{N/m}\)). للماء عند \(20^{\circ}\mathrm{C}\) نحو \(0.073\ \mathrm{N/m}\).
The net inward forces pull the surface molecules inward, so the surface tends to contract to the smallest possible area and behaves like a stretched film. This is called surface tension; it is measured as the force acting on a unit length of the surface (\(\mathrm{N/m}\)). For water at \(20^{\circ}\mathrm{C}\) it is about \(0.073\ \mathrm{N/m}\).
التوتر السطحي: قطرة الماء تتخذ شكلًا قريبًا من الكرة، والحشرة تمشي على الماء دون أن تغوص.
Surface tension: a drop of water takes a nearly spherical shape and an insect walks on water without sinking.
جزيء يقع في منتصف كمية من السائل، فما محصلة قوى التماسك المؤثرة فيه؟
A molecule lies in the middle of a body of liquid. What is the resultant of the cohesive forces on it?
لماذا تتخذ قطرة الماء شكلًا قريبًا من الكرة عندما لا تؤثر فيها قوى أخرى كبيرة؟
Why does a drop of water take a nearly spherical shape when no other large forces act on it?
قوى التلاصق هي قوى التجاذب بين جزيئات مادتين مختلفتين، كجزيئات الماء وجزيئات الزجاج. والمقارنة بين قوى التلاصق وقوى التماسك هي التي تحدد سلوك السائل عند جدار الإناء.
Adhesive forces are the attractive forces between the molecules of two different substances, such as water molecules and glass molecules. Comparing adhesive with cohesive forces decides how a liquid behaves at the wall of its container.
أنبوبة شعرية في الماء (يرتفع الماء ويكون سطحه مقعرًا) وأخرى في الزئبق (ينخفض الزئبق ويكون سطحه محدبًا).
A capillary tube in water (the water rises and its surface is concave) and another in mercury (the mercury is depressed and its surface is convex).
| وجه المقارنةComparison | الماء في أنبوب زجاجي شعريWater in a glass capillary tube | الزئبق في أنبوب زجاجي شعريMercury in a glass capillary tube |
|---|---|---|
| المقارنة بين القوتينWhich force is larger | التلاصق (ماء–زجاج) أكبر من التماسك (ماء–ماء)adhesion (water–glass) is greater than cohesion (water–water) | التماسك (زئبق–زئبق) أكبر من التلاصق (زئبق–زجاج)cohesion (mercury–mercury) is greater than adhesion (mercury–glass) |
| مستوى السائل في الأنبوبةLevel in the tube | يرتفع فوق مستواه في الإناءrises above its level in the vessel | ينخفض تحت مستواه في الإناءis depressed below its level in the vessel |
| شكل سطح السائلShape of the surface | مقعّرconcave | محدّبconvex |
| نوع السائلType of liquid | يبلّل الزجاجwets the glass | لا يبلّل الزجاجdoes not wet the glass |
عند جدار الأنبوب تجذب جزيئات الزجاج جزيئات الماء إلى الأعلى بقوة أكبر من تجاذب الماء لنفسه، فيلتصق الماء بالجدار ويصعد عليه، ثم يسحب التوتر السطحي بقية الماء خلفه حتى يتوازن وزن عمود الماء المرتفع مع القوة الرافعة. وكلما كان الأنبوب أضيق كانت نسبة محيط الجدار إلى مساحة المقطع أكبر فيرتفع الماء أكثر.
At the wall of the tube the glass molecules pull the water molecules upward more strongly than water attracts itself, so the water clings to the wall and climbs; surface tension then drags the rest of the water after it until the weight of the raised column balances the lifting force. The narrower the tube, the larger the ratio of wall perimeter to cross-sectional area, so the higher the water rises.
هذه هي الخاصية الشعرية، وبها يصعد الماء في جذوع النباتات وفي المناديل الورقية والإسفنج.
This is capillarity; it is how water climbs up plant stems, paper towels and sponges.
للتوسع: ارتفاع السائل في أنبوب نصف قطره \(r\) يعطى بالعلاقة \(h=\dfrac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}\)، حيث \(\gamma\) التوتر السطحي و\(\theta\) زاوية التلامس (للماء والزجاج \(\theta\approx0^{\circ}\) وللزئبق والزجاج \(\theta\approx140^{\circ}\) فتكون \(h\) سالبة أي انخفاض).
Going further: the height of the liquid in a tube of radius \(r\) is \(h=\dfrac{2\gamma\cos\theta}{\rho g r}\), where \(\gamma\) is the surface tension and \(\theta\) the contact angle (for water on glass \(\theta\approx0^{\circ}\); for mercury on glass \(\theta\approx140^{\circ}\), so \(h\) is negative, i.e. a depression).
اختر السائل (ماء أو زئبق أو إيثانول) وغيّر نصف قطر الأنبوب. لاحظ شكل سطح السائل (مقعّر أو محدّب) واتجاه حركته، وكيف يزداد الارتفاع عند تضييق الأنبوب وفق العلاقة \(h=2\gamma\cos\theta/(\rho g r)\).
Choose the liquid (water, mercury or ethanol) and change the radius of the tube. Notice the shape of the surface (concave or convex), the direction of the movement, and how the height grows as the tube narrows according to \(h=2\gamma\cos\theta/(\rho g r)\).
أنبوب زجاجي شعري نصف قطره \(0.50\ \mathrm{mm}\) مغموس في الماء (\(\gamma=0.0728\ \mathrm{N/m}\)، \(\theta=0^{\circ}\)). احسب ارتفاع الماء فيه. خذ \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
A glass capillary tube of radius \(0.50\ \mathrm{mm}\) is dipped into water (\(\gamma=0.0728\ \mathrm{N/m}\), \(\theta=0^{\circ}\)). Find the height of the water in it. Take \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\).
وُضع أنبوب شعري زجاجي في إناء به زئبق. ماذا نلاحظ؟
A glass capillary tube is placed in a vessel of mercury. What do we observe?
إذا قُلّل نصف قطر الأنبوب الشعري إلى النصف (في الماء نفسه) فإن ارتفاع الماء فيه:
If the radius of the capillary tube is halved (in the same water), the height of the water in it:
التبخر هو تحول المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. يحدث من سطح السائل عند أي درجة حرارة (ويزداد بارتفاعها)، لأن جزيئات السطح الأسرع حركة، وهي التي تملك أكبر طاقة حركية، تستطيع التغلب على قوى التجاذب والإفلات من السائل.
Evaporation is the change of a substance from the liquid state to the gaseous state. It takes place from the surface of the liquid at any temperature (and increases as the temperature rises), because the faster surface molecules, which have the greatest kinetic energy, can overcome the attractive forces and escape from the liquid.
جزيئات السائل ليست متساوية في سرعتها؛ فمنها السريع ومنها البطيء، ودرجة الحرارة تقيس متوسط الطاقة الحركية. الجزيئات التي تغادر السطح هي الأسرع، فيبقى في السائل جزيئات متوسط طاقتها أقل، أي تنخفض درجة حرارة السائل وما يلامسه. ولهذا نشعر بالبرودة عندما يتبخر العرق عن الجلد أو الكحول عن اليد.
The molecules of a liquid do not all move at the same speed; some are fast and some are slow, and temperature measures the average kinetic energy. The molecules that leave the surface are the fastest, so the molecules left behind have a lower average energy: the liquid and whatever touches it cools. That is why we feel cold when sweat evaporates from the skin or alcohol from the hand.
عوامل زيادة معدل التبخر: ارتفاع درجة الحرارة، وزيادة مساحة السطح المعرّض، وحركة الهواء فوق السطح، وانخفاض رطوبة الهواء، ونوع السائل (الكحول يتبخر أسرع من الماء لأن قوى التماسك فيه أضعف).
Factors that increase the rate of evaporation: a higher temperature, a larger exposed surface area, air moving over the surface, drier air, and the type of liquid (alcohol evaporates faster than water because its cohesive forces are weaker).
التكثف هو تحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة (عكس التبخر) عند انخفاض درجة حرارتها. يحدث عندما تصطدم جزيئات البخار السريعة بجزيئات بطيئة فتفقد جزءًا من طاقتها الحركية، فتعجز عن الإفلات من قوى التجاذب المؤثرة فيها من جزيئات السائل وتتحول إلى سائل.
Condensation is the change of a substance from the gaseous state to the liquid state (the reverse of evaporation) when its temperature falls. It happens when fast vapour molecules collide with slow ones and lose part of their kinetic energy, so they can no longer escape the attractive forces exerted by the liquid molecules and turn into liquid.
في الإناء المفتوح تغادر جزيئات البخار ولا تعود، فيستمر التبخر حتى ينفد السائل. أما في الإناء المغلق فتعود بعض الجزيئات إلى السائل (تتكثف)، وبعد زمن يتساوى عدد الجزيئات المتبخرة مع عدد الجزيئات المتكثفة في الثانية، فتستقر كمية البخار ويقال إن النظام في اتزان ديناميكي.
In an open vessel the vapour molecules leave and do not return, so evaporation continues until the liquid is used up. In a closed vessel some molecules return to the liquid (condense), and after a while the number evaporating per second equals the number condensing, so the amount of vapour stays constant and the system is said to be in dynamic equilibrium.
الجزيئات الزرقاء بطيئة والبرتقالية أسرع، وعند إفلات جزيء سريع من السطح يصبح بخارًا (أحمر). جرّب فتح الإناء وإغلاقه، ورفع درجة الحرارة، وإيقاف التسخين، وراقب معدلي التبخر والتكثف وعدد جزيئات البخار.
The blue molecules are slow and the orange ones faster; when a fast molecule escapes from the surface it becomes vapour (red). Try opening and closing the vessel, raising the temperature and switching off the heater, and watch the rates of evaporation and condensation and the number of vapour molecules.
لماذا يؤدي التبخر إلى تبريد السائل المتبقي؟
Why does evaporation cool the remaining liquid?
في إناء مغلق فيه سائل وبخاره، متى يصل النظام إلى الاتزان؟
In a closed vessel containing a liquid and its vapour, when does the system reach equilibrium?
عند تسليط ضغط إضافي على سائل محصور في إناء فإن هذا الضغط ينتقل إلى جميع أجزاء السائل وإلى جدران الإناء بالتساوي ودون نقصان.
When an additional pressure is applied to a confined liquid in a vessel, this pressure is transmitted equally and undiminished to every part of the liquid and to the walls of the vessel.
المكبس الهيدروليكي: قوة صغيرة على المكبس الصغير تنتج قوة كبيرة على المكبس الكبير، فيرفع السيارة.
The hydraulic press: a small force on the small piston produces a large force on the large piston, which lifts the car.
الضغط الناتج عن القوة \(F_1\) على المكبس الصغير (مساحته \(A_1\)) هو نفسه الضغط على المكبس الكبير (مساحته \(A_2\))، أي \(P_1=P_2\):
The pressure produced by the force \(F_1\) on the small piston (area \(A_1\)) is the same pressure acting on the large piston (area \(A_2\)), that is \(P_1=P_2\):
\[\dfrac{F_1}{A_1}=\dfrac{F_2}{A_2}\quad\Rightarrow\quad F_2=F_1\,\dfrac{A_2}{A_1}\]
تتضاعف القوة بنسبة \(A_2/A_1\) لكن الشغل لا يتضاعف. السائل غير قابل للانضغاط تقريبًا، فحجم السائل الذي ينزاحه المكبس الصغير يساوي حجم السائل الذي يرفع به المكبس الكبير: \(A_1d_1=A_2d_2\). لذلك يتحرك المكبس الكبير مسافة أقل بنفس النسبة، ويكون الشغل المبذول \(F_1d_1\) مساويًا للشغل المنجز \(F_2d_2\) (مع إهمال الاحتكاك).
The force is multiplied by the ratio \(A_2/A_1\) but the work is not. The liquid is almost incompressible, so the volume displaced by the small piston equals the volume that raises the large piston: \(A_1d_1=A_2d_2\). Hence the large piston moves a shorter distance in the same ratio, and the work put in \(F_1d_1\) equals the work done \(F_2d_2\) (neglecting friction).
من تطبيقاته: رافعة السيارات، ومكابح السيارات الهيدروليكية، وكرسي طبيب الأسنان، والمكابس الصناعية.
Applications: car lifts, hydraulic car brakes, the dentist's chair and industrial presses.
غيّر القوة على المكبس الصغير ومساحتي المكبسين وكتلة الحِمل، ثم اضغط «شغّل» لترى حركة المكبسين. يُنقل الضغط نفسه إلى المكبس الكبير فتتضاعف القوة بنسبة المساحتين، لكن المكبس الكبير يتحرك مسافة أقل. ثم احسب أقل قوة تكفي لرفع الحِمل.
Change the force on the small piston, the areas of the two pistons and the mass of the load, then press “Run” to see the pistons move. The same pressure is transmitted to the large piston, so the force is multiplied by the ratio of the areas, but the large piston moves a shorter distance. Then calculate the smallest force that can lift the load.
في رافعة هيدروليكية مساحة المكبس الصغير \(0.020\ \mathrm{m^2}\) ومساحة المكبس الكبير \(0.80\ \mathrm{m^2}\). ما أقل قوة يجب التأثير بها على المكبس الصغير لرفع سيارة كتلتها \(1200\ \mathrm{kg}\)؟ (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
In a hydraulic lift the small piston has area \(0.020\ \mathrm{m^2}\) and the large piston \(0.80\ \mathrm{m^2}\). What is the smallest force needed on the small piston to lift a car of mass \(1200\ \mathrm{kg}\)? (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
رافعة هيدروليكية مساحة مكبسها الصغير \(10\ \mathrm{cm^2}\) والكبير \(200\ \mathrm{cm^2}\). إذا أثرنا بقوة \(50\ \mathrm{N}\) على الصغير فإن القوة على الكبير:
A hydraulic lift has a small piston of area \(10\ \mathrm{cm^2}\) and a large one of \(200\ \mathrm{cm^2}\). If a force of \(50\ \mathrm{N}\) acts on the small piston, the force on the large one is:
كلما غُصنا في الماء شعرنا بضغط أكبر على آذاننا. يمكن استنتاج السبب بتخيل عمود من السائل ارتفاعه \(h\) ومساحة قاعدته \(A\) فوق نقطة ما؛ وزن هذا العمود هو ما يضغط على القاعدة:
The deeper we dive, the more pressure we feel on our ears. We can find the reason by imagining a column of liquid of height \(h\) and base area \(A\) above a point; the weight of this column is what presses on the base:
\[P=\dfrac{F}{A}=\dfrac{mg}{A}=\dfrac{\rho Vg}{A}=\dfrac{\rho Ah\,g}{A}\;\Rightarrow\;P=\rho gh\]
ضغط المائع على عمق \(h\): \(P=\rho gh\) حيث \(\rho\) كثافة المائع و\(g\) عجلة الجاذبية. يزداد الضغط خطيًا مع العمق وبزيادة كثافة المائع، ولا يعتمد على شكل الإناء ولا على مساحة قاعدته.
Fluid pressure at depth \(h\): \(P=\rho gh\), where \(\rho\) is the density of the fluid and \(g\) the acceleration of gravity. The pressure increases linearly with depth and with the density of the fluid, and does not depend on the shape of the vessel or the area of its base.
الضغط الكلي (المطلق) هو ضغط المائع مضافًا إليه الضغط الجوي الذي يضغط على سطح السائل:
The total (absolute) pressure is the fluid pressure plus the atmospheric pressure acting on the surface of the liquid:
\[P_{tot}=p_0+\rho gh,\qquad p_0=101\,325\ \mathrm{N/m^2}\approx1\ \mathrm{atm}\]
| المائعFluid | الكثافة \(\rho\) (\(\mathrm{kg/m^3}\))Density \(\rho\) (\(\mathrm{kg/m^3}\)) |
|---|---|
| الهواءAir | 1.221.22 |
| الزيتOil | ≈ 800≈ 800 |
| الماءWater | 10001000 |
| ماء البحرSea water | ≈ 1025≈ 1025 |
| الزئبقMercury | 13 60013 600 |
الحد \(\rho gh\) وحده يسمى الضغط المقيس (الزيادة على الضغط الجوي)، وهو ما تقيسه مقاييس الضغط في إطارات السيارات. أما \(p_0+\rho gh\) فهو الضغط المطلق. على عمق \(10\ \mathrm{m}\) من الماء يكون \(\rho gh\approx98\,000\ \mathrm{Pa}\) أي قريبًا من ضغط جوي إضافي، فيصبح الضغط المطلق نحو \(2\ \mathrm{atm}\).
The term \(\rho gh\) alone is the gauge pressure (the excess over atmospheric pressure), which is what a tyre gauge reads. \(p_0+\rho gh\) is the absolute pressure. At a depth of \(10\ \mathrm{m}\) of water \(\rho gh\approx98\,000\ \mathrm{Pa}\), about one extra atmosphere, so the absolute pressure is about \(2\ \mathrm{atm}\).
ولهذا تُبنى السدود أسمك عند القاع، ويحتاج الغواص إلى بدلة تتحمل الضغط المتزايد.
This is why dams are built thicker at the bottom, and why a diver needs a suit that withstands the increasing pressure.
حرّك الحساس إلى الأسفل وبدّل السائل، وراقب كيف يزداد ضغط المائع \(\rho gh\) خطيًا مع العمق وكيف يزداد الميل بزيادة الكثافة. فعّل أو ألغِ الضغط الجوي لترى الفرق بين ضغط المائع والضغط الكلي. ثم احسب الضغط عند العمق المعروض.
Move the sensor down and change the liquid, and watch how the fluid pressure \(\rho gh\) grows linearly with depth and how the slope grows with density. Switch the atmospheric pressure on or off to see the difference between the fluid pressure and the total pressure. Then calculate the pressure at the depth shown.
غواص على عمق \(30\ \mathrm{m}\) في ماء البحر (\(\rho=1030\ \mathrm{kg/m^3}\)). احسب (أ) ضغط الماء عليه، (ب) الضغط الكلي. (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
A diver is at a depth of \(30\ \mathrm{m}\) in sea water (\(\rho=1030\ \mathrm{kg/m^3}\)). Find (a) the water pressure on the diver and (b) the total pressure. (\(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
ما ضغط الماء (بإهمال الضغط الجوي) على عمق \(5\ \mathrm{m}\) في ماء عذب؟ (\(\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}\)، \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
What is the water pressure (neglecting atmospheric pressure) at a depth of \(5\ \mathrm{m}\) in fresh water? (\(\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}\), \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
ما الضغط الكلي عند قاع بركة عمقها \(10\ \mathrm{m}\) (\(\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}\)، \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\)، \(p_0=101\,325\ \mathrm{Pa}\))؟
What is the total pressure at the bottom of a pool \(10\ \mathrm{m}\) deep (\(\rho=1000\ \mathrm{kg/m^3}\), \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\), \(p_0=101\,325\ \mathrm{Pa}\))?
بعض الأجسام إذا وُضعت في مائع تغوص، وبعضها يبقى معلقًا في أي موضع، وبعضها يرتفع نحو السطح ويطفو.
Some objects placed in a fluid sink, some stay suspended at any position, and some rise to the surface and float.
ثلاث كرات في الماء: الفلين يطفو، والخشب يطفو مغمورًا جزئيًا أو معلقًا، والألمنيوم يغوص.
Three spheres in water: the cork floats, the wood is partly submerged or suspended, and the aluminium sinks.
وإذا وزنّا جسمًا بميزان نابضي في الهواء ثم أنزلناه في الماء لاحظنا أن قراءة الميزان تقل. السبب وجود قوة تدفع الجسم إلى الأعلى.
If we weigh an object with a spring balance in air and then lower it into water, the reading of the balance decreases. The reason is a force pushing the object upward.
وزن الحجر في الهواء أكبر منه في الماء، والماء المنزاح (الذي يتجمع من الإناء) وزنه يساوي دافعة أرخميدس.
The weight of the stone in air is larger than in water, and the weight of the displaced water (collected from the overflow can) equals the buoyant force.
دافعة أرخميدس (\(F_B\)) هي القوة التي يؤثر بها المائع على الجسم المغمور فيه كليًا أو جزئيًا، وتتجه رأسيًا إلى الأعلى. ويسمى وزن الجسم داخل المائع (\(F_g^{\prime}\)) الوزن الظاهري.
The buoyant force (\(F_B\)) is the force exerted by a fluid on an object immersed in it fully or partly, directed vertically upward. The weight of the object inside the fluid (\(F_g^{\prime}\)) is called its apparent weight.
\[F_B=F_g-F_g^{\prime}\]
وتساوي الدافعة أيضًا وزن المائع المزاح (مبدأ أرخميدس):
The buoyant force also equals the weight of the displaced fluid (Archimedes' principle):
\[F_B=\rho_{f}\,V_{sub}\,g\]
\(\rho_f\): كثافة المائع المزاح، \(V_{sub}\): حجم المائع المزاح = حجم الجزء المغمور من الجسم، \(g\): عجلة الجاذبية.
\(\rho_f\): density of the displaced fluid, \(V_{sub}\): volume of the displaced fluid = volume of the submerged part of the object, \(g\): acceleration of gravity.
ضغط المائع على الوجه السفلي للجسم أكبر من ضغطه على الوجه العلوي لأن \(P=\rho gh\) يزداد مع العمق، فتكون القوة المحصلة للضغط إلى الأعلى، وهذه هي دافعة أرخميدس. والدافعة لا تعتمد على وزن الجسم ولا على مادته، وإنما على كثافة المائع وحجم الجزء المغمور فقط.
The pressure of the fluid on the lower face of the object is greater than on the upper face because \(P=\rho gh\) grows with depth, so the net force from the pressure is upward: this is the buoyant force. It does not depend on the weight of the object or its material, only on the density of the fluid and the volume of the submerged part.
قارن الدافعة بالوزن \(F_g=\rho_o V g\) (حيث \(\rho_o\) كثافة الجسم):
Compare the buoyant force with the weight \(F_g=\rho_o V g\) (where \(\rho_o\) is the density of the object):
وبهذا تطفو السفن الحديدية لأن شكلها المجوّف يجعل متوسط كثافتها (مع الهواء داخلها) أقل من كثافة الماء، وتغوص الغواصة أو تطفو بتغيير كمية الماء في خزاناتها.
This is why iron ships float: their hollow shape makes their average density (including the air inside) less than that of water; a submarine sinks or floats by changing the amount of water in its tanks.
غيّر كتلة الجسم وحجمه ونوع السائل. يقارن البرنامج كثافة الجسم بكثافة السائل: فيغوص أو يطفو أو يبقى معلقًا، ويحسب دافعة أرخميدس والوزن الظاهري كما يقرؤه الميزان النابضي. ثم احسب الدافعة بنفسك وتحقق من إجابتك.
Change the mass and volume of the object and the type of liquid. The program compares the density of the object with that of the liquid: it sinks, floats or stays suspended, and it calculates the buoyant force and the apparent weight as the spring balance would read it. Then calculate the buoyant force yourself and check your answer.
وُزن حجر في الهواء فكان \(3.0\ \mathrm{N}\)، ثم وُزن مغمورًا كليًا في الماء فكان \(2.0\ \mathrm{N}\). احسب دافعة أرخميدس، وحجم الحجر، وكثافته. (\(\rho_w=1000\ \mathrm{kg/m^3}\)، \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
A stone weighs \(3.0\ \mathrm{N}\) in air and \(2.0\ \mathrm{N}\) when fully submerged in water. Find the buoyant force, the volume of the stone and its density. (\(\rho_w=1000\ \mathrm{kg/m^3}\), \(g=9.8\ \mathrm{m/s^2}\))
وزن جسم في الهواء \(8\ \mathrm{N}\) ووزنه الظاهري في الماء \(6\ \mathrm{N}\). ما دافعة أرخميدس عليه؟
The weight of an object in air is \(8\ \mathrm{N}\) and its apparent weight in water is \(6\ \mathrm{N}\). What is the buoyant force on it?
قطعة خشب كثافتها \(600\ \mathrm{kg/m^3}\) تطفو على الماء (\(1000\ \mathrm{kg/m^3}\)). ما نسبة حجمها المغمور؟
A piece of wood of density \(600\ \mathrm{kg/m^3}\) floats on water (\(1000\ \mathrm{kg/m^3}\)). What fraction of its volume is submerged?
على أي العاملين تعتمد دافعة أرخميدس على جسم مغمور كليًا؟
On which of the following does the buoyant force on a fully submerged object depend?
| الموضوعTopic | الفكرة / القانونIdea / Law |
|---|---|
| الحالات الثلاثThe three states | صلب: شكل وحجم ثابتان؛ سائل: حجم ثابت وشكل الإناء؛ غاز: بلا شكل ولا حجم ثابتين؛ السائل والغاز موائعsolid: fixed shape and volume; liquid: fixed volume, shape of the container; gas: neither fixed; liquids and gases are fluids |
| الضغطPressure | \(P=\dfrac{F}{A}\)\(P=\dfrac{F}{A}\) |
| بويلBoyle | \(P_1V_1=P_2V_2\) (T ثابتة)\(P_1V_1=P_2V_2\) (T constant) |
| شارلCharles | \(\dfrac{V_1}{T_1}=\dfrac{V_2}{T_2}\) (P ثابت)\(\dfrac{V_1}{T_1}=\dfrac{V_2}{T_2}\) (P constant) |
| غاي-لوساكGay-Lussac | \(\dfrac{P_1}{T_1}=\dfrac{P_2}{T_2}\) (V ثابت)\(\dfrac{P_1}{T_1}=\dfrac{P_2}{T_2}\) (V constant) |
| القانون العام والمثاليCombined and ideal | \(\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}\ ;\ PV=nRT\)\(\dfrac{P_1V_1}{T_1}=\dfrac{P_2V_2}{T_2}\ ;\ PV=nRT\) |
| مبدأ باسكالPascal's principle | \(\dfrac{F_1}{A_1}=\dfrac{F_2}{A_2}\)\(\dfrac{F_1}{A_1}=\dfrac{F_2}{A_2}\) |
| ضغط المائعFluid pressure | \(P=\rho gh\ ;\ P_{tot}=p_0+\rho gh\)\(P=\rho gh\ ;\ P_{tot}=p_0+\rho gh\) |
| دافعة أرخميدسBuoyant force | \(F_B=F_g-F_g^{\prime}=\rho_f V_{sub}g\)\(F_B=F_g-F_g^{\prime}=\rho_f V_{sub}g\) |
أنهِ الدرس بالاختبار التفاعلي التالي؛ أسئلته تجمع بين الفهم والحساب وتغطي جميع أقسام الدرس.
Finish with the interactive exam below; its questions mix understanding with calculation and cover every section of the lesson.
20 سؤالاً - حالات المادة، الضغط، قوانين الغازات، القوى داخل السوائل، ومبدأ باسكال وأرخميدس 20 Questions - States of Matter, Pressure, the Gas Laws, Forces in Liquids, Pascal and Archimedes
اضغط «تشغيل» لتعمل المحاكاة هنا داخل الدرس؛ ويمكن للطالب الرجوع إليها لتجربة الفكرة بطريقة أخرى.
Press “Run” to run the simulation right here inside the lesson; the student can use it to try the idea in another way.







