الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة)

مقدمة الدرس

العلوم المتكاملة — الصف الأول الثانوي — الفصل الدراسي الأول

🌳 شجرة المفاهيم
الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة)

├── 0. أسئلة يجيب عنها هذا الدرس

├── 1.1 التعريف

├── 1.2 كثافة الماء النقي

├── 1.3 الكثافة النسبية

├── 1.4 الهيدروميتر (مقياس كثافة السوائل)

├── 1.5 نشاط: قياس الكثافة لعينات مختلفة من الماء (الهدف والطريقة والنتائج المتوقعة)
├── 2. كثافة المياه في المحيطات: ما الذي يؤثر فيها؟

├── 2.1 اختلاف الكثافة يسبب التيارات المائية

├── 3.1 القاعدة المعتادة والاستثناء

├── 3.2 الجليد يطفو

├── 3.3 لماذا تتجمد البحيرة القطبية من السطح وتنجو الأسماك؟

├── 4.1 فكرتان كثيرًا ما يخلط بينهما

├── 4.2 تدريجا كلفن وسيلزيوس

├── 5.1 التعريف

├── 5.2 قيم نموذجية (عند درجة حرارة الغرفة)

├── 5.3 المعادلة

├── 5.4 حفظ الطاقة عند الخلط

├── 5.8 الحرارة النوعية والروابط الهيدروجينية

├── 6.1 نسيم البحر

├── 6.2 المسطحات المائية الكبيرة كخزانات حرارية

├── 7.1 التعريف

├── 7.2 لماذا هي مرتفعة للماء؟

├── 7.3 مقارنة مع التسخين (فكرة الشكل 1-20)

├── 7.4 الأهمية الحيوية

├── 8. تأثير كمية الحرارة ودرجة الحرارة على الكائنات البحرية
├── 8.1 الكائنات ذوات الدم البارد وذوات الدم الدافئ

├── 9. جدول ملخص

├── 10. أخطاء شائعة

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 1 / 34

0. أسئلة يجيب عنها هذا الدرس

يبدأ الكتاب الدرس بأسئلة ينبغي أن تستطيع الإجابة عنها في نهايته:

لماذا يطفو الثلج (الصلب) على سطح الماء (السائل)؟
لماذا تبدو رمال الشاطئ دائمًا أكثر سخونة من مياه البحر أو المحيط عند الظهيرة؟
لماذا تبقى مياه البحار والمحيطات دافئة حتى بعد غروب الشمس؟
كيف تؤثر درجة الحرارة على الكائنات الحية وبخاصة الكائنات البحرية؟

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
تجيب عن هذه الأسئلة خاصيتان فيزيائيتان للماء	(1) تقل كثافته عند التجمد (وتبلغ نهايتها العظمى عند 4°C) و(2) ارتفاع حرارته النوعية	كثافتهالتجمدوتبلغنهايتها
•	وتفسّر خاصية ثالثة هي ارتفاع الحرارة الكامنة للتصعيد التبريد بالعرق والنتح	وتفسخاصيةثالثةارتفاع
وترجع الخواص الثلاث إلى السبب نفسه الذي عرفته في الدرس 1-2	شبكة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء	شبكةالروابطالهيدروجينيةجزيئات

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 2 / 34

1.1 التعريف

الكثافة (ρ)هي كتلة وحدة الحجوم من المادة عند درجة حرارة معينة:

ρ = m ÷ V (الوحدةkg / m3 في النظام الدولي أو g / cm3)

والمادة تتكون من جزيئات، فكثافتها تعتمد على (1) كتلة جزيئاتها و(2) المسافات البينية بينها (مدى تقارب الجزيئات).
ولهذا تتغير كثافة السائل بتغير درجة الحرارة والضغط رغم أن كتلة الجزيئات لا تتغير.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 3 / 34

1.2 كثافة الماء النقي

📈 كثافة الماء مقابل درجة الحرارة: تبلغ الكثافة أعلى قيمة (1000.0 kg/m³) عند 4°C.

كتلة 1 cm³ من الماء النقي عند 4°C تساوي 1 g، أي أن كثافة الماء عند 4°C تساوي
1 g/cm³ = 1000 kg/m³

.
التحويل 1 g/cm3 = 10-3 kg ÷ 10-6 m3 = 1000 kg/m3. (1 لتر من الماء = 1000 cm3 = 1 kg).
وبانخفاض درجة حرارة الماء عن 4°C إلى درجة تجمده تقل كثافته (وهذا غير معتاد؛ انظر القسم 3).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 4 / 34

1.3 الكثافة النسبية

الكثافة النسبية لمادة هي النسبة بين كثافة هذه المادة وكثافة الماء النقي عند 4°C:
الكثافة النسبية = كثافة المادة ÷ كثافة الماء عند 4°C

وهي بلا وحدة.
فمثلًا ماء البحر كثافته 1025 kg/m³ فكثافته النسبية 1.025، والزئبق (13 600 kg/m³) كثافته النسبية 13.6.
والمادة التي كثافتها النسبية أقل من 1 تطفو على الماء، والتي كثافتها النسبية أكبر من 1 تغوص (إذا لم تكن مجوفة).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 5 / 34

1.4 الهيدروميتر (مقياس كثافة السوائل)

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
•	تُقاس كثافة السوائل أو كثافتها النسبية بالهيدروميتر	كثافةالسوائلكثافتهاالنسبية
فكرة العمل	تعتمد على قانون الطفو (مبدأ أرخميدس). فالجسم الطافي يزيح وزنًا من السائل يساوي وزنه. وفي السائل الأعلى كثافة يكفي حجم أصغر مغمور لإزاحة الوزن نفسه فيظهر من الجسم جزء أكبر فوق السطح أي يطفو الهيدروميتر أعلى وفي السائل الأقل كثافة يغوص أكثر	تعتمدقانونالطفومبدأ
التركيب	مستودع زجاجي مجوف محكم الغلق له جزء سفلي أوسع للطفو يوجد فيه كرات من الرصاص أو الزئبق (ballast) تساعد على الاتزان الرأسي ويتصل مستودعه بساق زجاجي طويل ذي قطر صغير مدرّج بقيم الكثافة	مستودعزجاجيمجوفمحكم
التدريج	يشير الجزء السفلي من التدريج (الأقرب للمستودع) إلى أعلى الكثافات بينما يشير الجزء العلوي من التدريج إلى أدنى كثافة يقيسها الهيدروميتر. (فتدريجه «مقلوب» بالنسبة للمسطرة العادية)	يشيرالجزءالسفليالأقرب

✍️ أمثلة محلولة

مثال محلول (1): استخدام شرط الطفو. هيدروميتر كتلته 90 g يطفو في ماء نقي
(ρ = 1.00 g/cm³).

(أ) ما الحجم المغمور؟
(ب) يطفو في محلول ملحي كثافته 1.20 g/cm³.
ما الحجم المغمور الآن؟
(ج) في أي السائلين يظهر طول أكبر من الساق فوق السطح؟
الحل الجسم الطافي: وزنه = وزن السائل المزاح ← m = ρ V ← V = m ÷ ρ. (أ) V = 90 ÷ 1.00 =90 cm3 .
(ب)
V = 90 ÷ 1.20 =75 cm³

.
(ج) في المحلول الملحي (حجم مغمور أقل وساق ظاهرة أكثر).
فالسائل الأكثف يظهر فيه حجم مغمور أصغر، وهذا يطابق ما ذكره الكتاب.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 6 / 34

1.5 نشاط: قياس الكثافة لعينات مختلفة من الماء (الهدف والطريقة والنتائج المتوقعة)

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
الهدف	قياس الكثافة النسبية لماء البحر وماء النهر وماء الآبار ومقارنتها	قياسالكثافةالنسبيةلماء
الأدوات	هيدروميتر عينات من السوائل أنبوبة اختبار طويلة (مخبار) يكفي عمقها ليطفو الهيدروميتر طليقًا	هيدروميترعيناتالسوائلأنبوبة
•	الإجراءات	الإجراءات

اسكب عينة من السائل في الأنبوبة.
أدخل الهيدروميتر بحذر داخل السائل مع التأكد من عدم ملامسته لجوانب الأنبوبة.
للتخلص من فقاعات الهواء العالقة به (لأنها تزيد الطفو وتعطي قراءة خاطئة).
اتركه يستقر لحظات حتى يثبت طافيًا.
(الهلالي) مع جعل العين في مستواه؛ وهذه القراءة تمثل الكثافة النسبية للسائل.
كرر مع كل عينة ومع الماء المقطر (كثافته النسبية نحو 1.000 عند 4°C)؛ ونظف الهيدروميتر وجففه بين العينات.

النتائج المتوقعة ماء البحر نحو 1.025؛
وماء النهر نحو 1.000 (أعلى قليلًا إذا كان عكرًا)؛
وماء البئر من 1.000 إلى 1.003.
فالماء العذب أقل كثافة من ماء البحر لأن الأملاح الذائبة تضيف كتلة مع زيادة قليلة في الحجم.
ملاحظة يجب تسجيل درجة الحرارة لأن الكثافة تتوقف عليها.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 7 / 34

2. كثافة المياه في المحيطات: ما الذي يؤثر فيها؟

تتأثر كثافة المياه في المحيطات بثلاثة عوامل:

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
الضغط داخل المياه.	في المياه الضحلة لا تتغير كثافة الماء تقريبًا بزيادة العمق لأنه غير قابل للانضغاط عمليًا. أما في الأعماق الكبيرة فيزداد الضغط فتقترب جزيئات الماء من بعضها أكثر فترتفع الكثافة بمقدار طفيف (نحو 1–2% عند أكبر الأعماق)	الضحلةتتغيركثافةالماء
كمية الأملاح المذابة في المياه (الملوحة).	كلما ارتفعت الملوحة ارتفعت الكثافة. متوسط الملوحة في المحيطات المفتوحة نحو 35 g ملح لكل kg ماء، وتعطي كثافة قدرها 1025 kg/m³ تقريبًا. وفي البحر الميت (≈ 340 g/kg) تبلغ الكثافة نحو 1240 kg/m³ فيطفو السابحون بسهولة.	كلماارتفعتالكثافةمتوسط
درجة حرارة المياه.	كلما انخفضت درجة الحرارة (حتى 4°C) اقتربت الجزيئات من بعضها فشغلت حجمًا أقل وارتفعت الكثافة. وإذا انخفضت الحرارة عن 4°C قلّت الكثافة مرة أخرى (القسم 3)	كلماانخفضتالحرارةاقتربت

وجه المقارنة

الفكرة الأساسية

كلمات مفتاحية

الضغط داخل المياه.

في المياه الضحلة لا تتغير كثافة الماء تقريبًا بزيادة العمق لأنه غير قابل للانضغاط عمليًا. أما في الأعماق الكبيرة فيزداد الضغط فتقترب جزيئات الماء من بعضها أكثر
فترتفع الكثافة بمقدار طفيف (نحو 1–2% عند أكبر الأعماق)

الضحلةتتغيركثافةالماء

كمية الأملاح المذابة في المياه (الملوحة).

كلما ارتفعت الملوحة ارتفعت الكثافة. متوسط الملوحة في المحيطات المفتوحة نحو 35 g ملح لكل kg ماء، وتعطي كثافة قدرها 1025 kg/m³ تقريبًا. وفي البحر الميت

(≈ 340 g/kg)

تبلغ الكثافة نحو 1240 kg/m³ فيطفو السابحون بسهولة.

كلماارتفعتالكثافةمتوسط

درجة حرارة المياه.

كلما انخفضت درجة الحرارة (حتى 4°C) اقتربت الجزيئات من بعضها فشغلت حجمًا أقل وارتفعت الكثافة. وإذا انخفضت الحرارة عن 4°C قلّت الكثافة مرة أخرى (القسم 3)

كلماانخفضتالحرارةاقتربت

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 8 / 34

2.1 اختلاف الكثافة يسبب التيارات المائية

تُعد اختلافات كثافة المياه أحد أسباب التيارات المائية في المحيطات.
فالتيارات الرأسية في المحيطات تنتج أساسًا عن اختلاف الكثافة الناتج عن التغير في درجة الحرارة ودرجة الملوحة.
فالمياه السطحية الباردة المالحة قرب القطبين كثيفة فتغوص وتجري على قاع المحيط نحو خط الاستواء، بينما تتحرك المياه الأدفأ والأخف على السطح نحو القطبين.
وتقوم هذه التيارات بـ:

نقل الحرارة والملح من المناطق الاستوائية إلى قطبي الكرة الأرضية؛
نقل العناصر الغذائية من أعماق المحيط إلى السطح (الارتفاع الصاعد) فتغذي العوالق والأسماك؛
حمل المياه العذبة التي تصب من الأنهار أو الأنهار الجليدية المنصهرة إلى أماكن مختلفة حول العالم.
(يعود الدرس 1-10 إلى أهمية توازن العناصر الغذائية، ويبين الدرس 2-1 كيف يحدث الحمل بسبب اختلاف الكثافة في الهواء أيضًا).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 9 / 34

3.1 القاعدة المعتادة والاستثناء

يزداد حجم السائل عمومًا بارتفاع درجة الحرارة، وينكمش بانخفاضها. ويُعد الماء استثناءً لهذه القاعدة في المدى من 0°C إلى 4°C.

من 0°C إلى 4°C كلما ارتفعت درجة الحرارة ينكمش الماء (يقل حجمه) وبالتالي تزداد كثافته.
عند 4°C تصل الكثافة إلى أكبر قيمة لها (1000 kg/m³، أي أصغر حجم لكتلة معينة).
فوق 4°C كلما ارتفعت الحرارة يتمدد الماء (يزداد حجمه) وتقل كثافته (السلوك المعتاد).
التفسير (من التركيب).

قرب 0°C تبدأ جزيئات الماء في الترتب على نمط الشبكة المفتوحة للجليد، حيث يرتبط كل جزيء بأربع روابط هيدروجينية على مسافات ثابتة، وهذا التركيب المفتوح يشغل حيزًا أكبر.
وعندما ينصهر الجليد ينهار جزء من التركيب المفتوح فتتراص الجزيئات أكثر (ينقص الحجم).
وبين 0 و4°C يظل هذا الانهيار أسرع من التمدد الحراري المعتاد فتزداد الكثافة حتى 4°C.
وفوق 4°C يسود التمدد الحراري المعتاد.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 10 / 34

3.2 الجليد يطفو

عندما يتجمد الماء تنتظم جزيئاته في شبكة سداسية منتظمة يكوّن فيها كل جزيء أربع روابط هيدروجينية بزوايا ثابتة.
ويترك هذا الترتيب فراغات كبيرة، فتكون جزيئات الجليد متباعدة أكثر من جزيئات الماء السائل: كثافة الجليد ≈ 917 kg/m³ (أقل من الماء بنحو 9%)، ويزداد الحجم بنحو 9% عند التجمد.
لذلك يطفو الجليد ويكون نحو 90% من حجمه تحت السطح (جبل الجليد).
(وللسبب نفسه تنفجر أنابيب المياه المتجمدة وتتشقق الصخور).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 11 / 34

3.3 لماذا تتجمد البحيرة القطبية من السطح وتنجو الأسماك؟

عندما تنخفض درجة حرارة الهواء من 4°C نحو 0°C:

يبرد ماء السطح وتزداد كثافته (ما دام فوق 4°C) فيغوص ويرتفع الماء الأدفأ الذي تحته. ويستمر هذا الخلط حتى يصبح ماء البحيرة كله عند 4°C.

تجمد_البحيرة_من_السطح
عندما تنخفض حرارة السطح عن 4°C تقل كثافته فيبقى في الأعلى، فيكون أبرد ماء (0°C) على السطح حيث يتجمد جليدًا.
يكوّن الجليد الطافي طبقة عازلة (الجليد والثلج المحبوس رديئا التوصيل) تبطئ فقد الحرارة من الماء الذي تحته فلا يتجمد باقي البحيرة.
يبقى الماء قرب القاع عند حوالي 4°C سائلًا، فتواصل الكائنات المائية حياتها طوال الشتاء.

وهذا سبب آخر يجعل الماء موطنًا مثاليًا.
ولو كان الجليد أكثف من الماء لغاص، ولتجمدت البحيرات من القاع إلى أعلى، ولما قامت نظم بيئية قطبية كثيرة.
المسألة (أ) أوجد كتلة الماء العذب عند 4°C في خزان أبعاده 2.0 m × 1.5 m × 1.0 m. (ب) أوجد الكتلة إذا امتلأ بماء بحر كثافته 1025 kg/m3. (ج) قطعة جليد حجمها 0.50 m³ وكثافتها 917 kg/m3 تطفو في ماء البحر.
ما الكسر المغمور من حجمها؟
الحل (أ) V = 2.0 × 1.5 × 1.0 = 3.0 m3 ؛
m = ρ V = 1000 × 3.0 =3000 kg

.
(ب)
1025 × 3.0 =3075 kg

.
(ج) الطفو ρ ice × V = ρ sea × Vsub ← الكسر = 917 ÷ 1025 =0.895 (نحو 89.5% مغمور).
المسألة أربع عينات من الماء كتلة كل منها 1 kg: (A) ماء نقي عند 4°C ، (B) ماء نقي عند 8°C ، (C) ماء مالح عند 4°C ، (D) ماء نقي عند 0°C (سائل).
أي العينات لها أكبر حجم؟
وأيها أصغر حجم؟
الحل الحجم = m ÷ ρ، فالعينة الأقل كثافة لها أكبر حجم.
ترتيب الكثافة C (مالح، 4°C) > A (نقي 4°C) > B (8° extC) ≈ D (0° extC). (كثافة الماء عند 0°C هي 999.84 kg/m3 وهي أقل قليلًا جدًا من الكثافة عند 8°C: 999.85 kg/m3).
أكبر حجم D (ماء نقي عند 0°C)، يليه B بفارق ضئيل، وكلاهما أكبر من A.
وأصغر حجم C (ماء مالح عند 4°C).
وفكرة المثال أن الابتعاد عن 4°C في أي اتجاه يقلل كثافة الماء النقي.

تجمد_البحيرة_من_السطح←عندما تنخفض حرارة السطح عن 4°C تقل كثافته فيبقى في الأعلى، فيكون أبرد ماء (0°C) على السطح حيث يتجمد جليدًا.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 12 / 34

4.1 فكرتان كثيرًا ما يخلط بينهما

يتكون أي جسم أو نظام من عدد هائل من الجزيئات التي توجد بينها مسافات بينية وتكون في حركة مستمرة.

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	مثال	كلمات مفتاحية
الطاقة الداخلية	= مجموع طاقة الوضع (نتيجة موضع الجزيئات بالنسبة لبعضها وقوى التجاذب بينها) وطاقة الحركة (نتيجة حركة الجزيئات) لكل جزيئات الجسم أو النظام	—	مجموعالوضعنتيجةموضع
كمية الحرارة	هي الطاقة المنتقلة من الجسم أو إليه نتيجة فرق في درجة الحرارة بينه وبين وسطه. وتقاس بالجول (J). فالحرارة طاقة في حالة انتقال وليست شيئًا مخزنًا	—	الطاقةالمنتقلةالجسمإليه
درجة الحرارة	وصف كمي لمدى سخونة أو برودة جسم أو نظام. وت	متوسط طاقة الحركة لجزيئات هذا الجسم. ووحدتها الدولية الكلفن (K)	لمدىسخونةبرودةنظام

مثال حوض ماء عند 40°C يحتوي طاقة داخلية أكبر بكثير من كوب ماء عند 80°C لأن عدد جزيئاته أكبر بكثير، لكن الكوب هو الأعلى درجة حرارة (متوسط طاقة حركة أعلى لكل جزيء).
وعند تلامسهما تنتقل الحرارة من الكوب الأسخن إلى الحوض الأبرد حتى تتساوى درجتا الحرارة.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 13 / 34

4.2 تدريجا كلفن وسيلزيوس

T (K) = t (° extC) + 273

0°C (تجمد الماء النقي) = 273 K ؛ 100°C (الغليان) = 373 K ؛
0 K = -273° extC

(الصفر المطلق حيث الحركة الجزيئية أدنى ما يمكن).
التغير بمقدار 1°C يساوي التغير بمقدار 1 K، أي أن Δt بالسيلزيوس تساوي ΔT بالكلفن. ولهذا يمكن كتابة الحرارة النوعية بوحدة J / kg· ° extC أو J / kg· K بالقيمة نفسها.
وعندما يكتسب جسم طاقة حرارية تزداد سعة اهتزاز جزيئاته وتزداد طاقة حركتها فترتفع درجة حرارته.

والسؤال هنا هل تحتاج وحدة الكتل (1 kg) من المواد المختلفة إلى نفس كمية الحرارة لترتفع درجة حرارة كل منها بمقدار كلفن واحد؟
الجواب في القسم التالي.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 14 / 34

5.1 التعريف

الحرارة النوعية

لمادة هي كمية الحرارة التي يكتسبها 1 kg من المادة لترتفع درجة حرارته بمقدار 1 K.
ويرمز لها بالرمز c، ووحدة قياسها J / kg· K (وتكافئ J / kg· ° extC).
وكلما كانت الحرارة النوعية للمادة مرتفعة احتاجت كتلة معينة منها إلى كمية طاقة حرارية أكبر لرفع درجة حرارتها بمقدار 1 K مقارنة بنفس الكتلة من مادة أخرى حرارتها النوعية أقل (وتطلق حرارة أكبر عند تبردها 1 K).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 15 / 34

5.2 قيم نموذجية (عند درجة حرارة الغرفة)

المادة	c (J / kg· K)
الماء (سائل)	4180 (يقرّبها الكتاب إلى نحو 4200)
ماء البحر	≈ 3990
الجليد	≈ 2100
الهواء (عند ضغط ثابت)	≈ 1005
الرمال / التربة الجافة	≈ 800–830
الألومنيوم	900
الحديد / الصلب	450
النحاس	390
الرصاص	130

ملاحظات تعتمد الحرارة النوعية على نوع المادة وحالتها الفيزيائية (الجليد يختلف عن الماء) ووجود الشوائب أو المواد المذابة.
ويتميز الماء بحرارة نوعية مرتفعة نسبيًا مقارنة ببقية المواد.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 16 / 34

5.3 المعادلة

كمية الحرارة التي يكتسبها أو يفقدها جسم:
Q_th = m c Δ t

m: كتلة الجسم بوحدة الكيلوجرام (حوّل الجرامات إلى kg دائمًا).
Δt مقدار التغير في درجة الحرارة = النهائية − الابتدائية (بوحدة °C أو K).
c: الحرارة النوعية بوحدة J / kg· ° extC أو J / kg· K.
إذا كانت Δt موجبة تكون Q موجبة (حرارة مكتسبة)، وإذا كانت Δt سالبة (تبريد) تكون Q سالبة (حرارة مفقودة).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 17 / 34

5.4 حفظ الطاقة عند الخلط

إذا وُضع جسمان مختلفا درجة الحرارة في تماس حراري داخل نظام معزول (لا فقد للحرارة إلى الوسط) فإن الحرارة التي يفقدها الجسم الأسخن = الحرارة التي يكتسبها الجسم الأبرد حتى تصل درجة حرارة نهائية مشتركة:
m₁c₁(t₁ – t_f) = m₂c₂(t_f – t₂)

المسألة ما كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 2.5 kg من الماء من 15°C إلى 65°C؟
(c = 4180 J/kg· K)

.
وما كمية الحرارة اللازمة لنفس الكتلة من النحاس (c = 390)؟

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	مثال	كلمات مفتاحية
الحل	Δt = 50 K	—
الماء	Q = 2.5 × 4180 × 50 =522 500 J	—	4180
النحاس	Q = 2.5 × 390 × 50 =48 750 J	—
•	يحتاج الماء نحو 10.7	ما يحتاجه النحاس (522 500 ÷ 48 750 ≈ 10.7) ولهذا يستغرق وعاء الماء وقتًا طويلًا في السخونة مقارنة بنحاس الوعاء نفسه	يحتاجالماءيحتاجهالنحاس
مثال الكتاب بصياغة مختلفة	كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 0.3 kg من النحاس من 20°C إلى	—	كميةالحرارةاللازمةلرفع

70° extC = 0.3 × 390 × 50 = 5850 J

.

المسألة كتلة من الحديد كتلتها 0.50 kg (c = 450 J/kg· K) عند 200°C أُسقطت في 2.0 kg ماء عند 20° extC (c = 4180) .
أوجد درجة الحرارة النهائية بإهمال الفقد.

الحل الحرارة المفقودة من الحديد = الحرارة المكتسبة بالماء: 0.50 × 450 × (200 – tf) = 2.0 × 4180 × (tf – 20)225 (200 – tf) = 8360 (tf – 20)45 000 – 225 tf = 8360 tf – 167 200212 200 = 8585 tf ← tf ≈ 24.7° extC .
ترتفع حرارة الماء 4.7°C فقط بينما تنخفض حرارة الحديد 175°C: لأن للماء كتلة كبيرة وحرارة نوعية كبيرة.

مثال الكتاب بصياغة أخرى قطعة ألومنيوم كتلتها 0.2 kg عند 80°C ألقيت في ماء فصارت درجة الحرارة النهائية 40°C (c للألومنيوم = 900): حرارة الألومنيوم المفقودة = 0.2 × 900 × (40 – 80) = -7200 J ، أي أن الماء اكتسب 7200 J.
والإشارة السالبة تدل على فقد الألومنيوم للحرارة.

المسألة وقع المقدار نفسه من الطاقة الشمسية، 200 kJ، على 10 kg من الرمل الجاف (c = 830) وعلى 10 kg من ماء البحر (c = 3990).
أوجد ارتفاع درجة حرارة كل منهما (أهمل الفقد والتبخر).

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	مثال	كلمات مفتاحية
الحل	Δ t = Q ÷ (m c)	—
الرمل	200 000 ÷ (10 × 830) =24.1 K	—
الماء	200 000 ÷ (10 × 3990) =5.0 K	—	3990
•		ما يسخنه ماء البحر لنفس الكتلة	الرمليسخنخمسةأمثال
•	(وفي الواقع يختلط البحر إلى عمق بفعل الأمواج ويتبخر جزء من الماء فيزداد الفرق)	—	الواقعيختلطالبحربفعل

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 18 / 34

5.8 الحرارة النوعية والروابط الهيدروجينية

يمتاز الماء بحرارته النوعية المرتفعة بسبب وجود الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته؛
فجزء من الحرارة الواصلة إلى الماء يُستهلك في مط الروابط الهيدروجينية وكسرها وفي دوران الجزيئات واهتزازها، وليس في زيادة طاقة حركة الجزيئات فقط.
لذلك يلزم قدر كبير من الطاقة لارتفاع طفيف في درجة الحرارة، ويُطلق قدر كبير من الطاقة عند البرودة.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 19 / 34

6.1 نسيم البحر

خلال نهار الصيف تسخن رمال الشاطئ وصخوره بسرعة (c منخفضة) بينما يسخن البحر ببطء (c مرتفعة).
فيسخن الهواء فوق اليابس من الأرض الساخنة فيتمدد وتقل كثافته ويرتفع إلى أعلى.
ويتحرك الهواء الأبرد فوق سطح الماء، وهو أكثف، نحو اليابس ليحل محل الهواء الساخن الذي ارتفع.
وتسمى هذه الحركة الأفقية للهواء من البحر إلى اليابس نسيم البحر.
(وفي الليل يبرد اليابس أسرع من البحر فينعكس فرق الحرارة ويهب نسيم البر من اليابس إلى البحر).

وعمومًا تعمل المحيطات والبحيرات الكبيرة على اعتدال مناخ اليابس القريب منها: فالمناطق الساحلية يقل فيها الفرق بين الليل والنهار وبين الصيف والشتاء مقارنة بالصحاري الداخلية على خط العرض نفسه.
كما أن درجة حرارة مسطح مائي كبير في الصيف تكون منخفضة مقارنة بدرجة حرارة الرمال والصخور الشاطئية.

نسيم_البحر_نهارا←6.1 نسيم البحر

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 20 / 34

6.2 المسطحات المائية الكبيرة كخزانات حرارية

يمتص الماء في النهار كميات كبيرة من الطاقة الشمسية دون أن ترتفع درجة حرارته بشكل كبير، ثم يطلقها ببطء في الليل.
ويساعد ذلك في الحفاظ على درجات حرارة مستقرة في البيئة البحرية المحيطة، ويعد هذا التوازن الحراري مهمًا جدًا لاستدامة الحياة البحرية.
فالتغيرات الحادة والمفاجئة في درجة الحرارة قد تكون قاتلة، خصوصًا للكائنات الدقيقة.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 21 / 34

7.1 التعريف

الحرارة الكامنة للتصعيد←هي الطاقة الحرارية التي تمتصها وحدة الكتل (1 kg) من المادة لتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (حالة البخار) دون تغير في درجة الحرارة (أو التي تنطلق منها أثناء تحولها من الحالة الغازية إلى السائلة دون تغير درجة الحرارة).

Q = m L_v (L_v

بوحدة J / kg).
Lv ≈ (2.26 × 106 J) / kg (نحو 2260 kJ/kg).

📈 منحنى تسخين 1 kg من الماء من 0°C إلى بخار←الجزء الأفقي هو الحرارة الكامنة للتصعيد.: 7.1 التعريف

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 22 / 34

7.2 لماذا هي مرتفعة للماء؟

لكي يتبخر الماء يجب أن تنفصل جزيئاته تمامًا بعضها عن بعض، أي يجب كسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته، وهذا يتطلب كمية كبيرة جدًا من الطاقة.
ولا ترفع هذه الطاقة درجة الحرارة (فهي تُستهلك في التغلب على قوى التجاذب) ولذلك تسمى «كامنة» أي مخفية.
تكشف المقارنة مع كبريتيد الهيدروجين H2S، وهو من مركبات المجموعة السادسة التي يقع فيها الأكسجين، سبب هذا الاختلاف.
فكبريتيد الهيدروجين يغلي عند نحو -61°م ويبقى غازا في درجة حرارة الغرفة، بينما يغلي الماء عند 100°م.
ويرجع الفرق إلى الروابط الهيدروجينية القوية بين جزيئات الماء، إذ تحتاج الجزيئات إلى كمية كبيرة من الطاقة لتنفصل عن بعضها وتتحول إلى بخار، وهذه الطاقة تُستهلك في التغلب على قوى التجاذب ولا ترفع الحرارة.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 23 / 34

7.3 مقارنة مع التسخين (فكرة الشكل 1-20)

لكل 1 kg من الماء:

التسخين من 0°C إلى 100°C يحتاج
Q = 1 × 4180 × 100 =4.18 × 10⁵ J

(المنطقة B في رسم الكتاب).
التبخير عند 100°C يحتاج
Q = 1 × 2.26 × 10⁶ =2.26 × 10⁶ J

(المنطقة C).

يحتاج التبخير إلى نحو 5.4 مثل الطاقة اللازمة لتسخين الماء نفسه من التجمد إلى الغليان
(2.26 × 10⁶ ÷ 4.18 × 10⁵ ≈ 5.4)

.
وفي منحنى العلاقة بين درجة الحرارة وكمية الحرارة المضافة يكون جزء التسخين خطًا مائلًا، وجزء التبخير خطًا طويلًا أفقيًا (تبقى الحرارة عند 100°C بينما تُضاف الطاقة).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 24 / 34

7.4 الأهمية الحيوية

تستخدم كائنات كثيرة تبخر الماء لتنظيم حرارة أجسامها فعندما تتعرق الحيوانات أو يحدث النتح في النباتات فإن جزيئات الماء المتبخرة تحمل الحرارة بعيدًا عن الجسم فيبرد.
(عرق الثدييات المتبخر من الجلد، ولهاث الكلب، وانتحاح الورقة).

المسألة يتبخر من جلد شخص 0.20 kg من العرق.
(أ) ما كمية الحرارة التي أُزيلت من الجسم؟
(ب) لو كان الجسم 60 kg من الأنسجة بحرارة نوعية متوسطة 3500 J/kg· K فبكم كانت ستنخفض درجة حرارته لو سُحبت هذه الحرارة من الجسم كله؟

الحل (أ) Q = m L = 0.20 × 2.26 × 106 =4.52 × 105 J .
(ب)
Δ t = Q ÷ (m c) = 452 000 ÷ (60 × 3500) =2.15 K

.
ويعد التبريد بنحو 2°C كبيرًا لجسم الإنسان، وهذا يبين قوة التعرق، ولماذا يجعلنا الهواء الرطب (الذي يبطئ التبخر) نشعر بحرارة أكبر (الدرس 2-3).

المسألة احسب الحرارة اللازمة لتحويل 1.0 kg من الماء عند 20°C تمامًا إلى بخار عند 100° extC.
(c = 4180 J/kg· K
،

L_v = (2.26 × 10⁶ J) / kg

).

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
الحل	المرحلة 1: تسخين من 20 إلى 100°C: Q1 = 1.0 × 4180 × 80 = 334 400 J	المرحلةتسخين4180
المرحلة 2	التبخير: Q2 = 1.0 × 2.26 × 106 = 2 260 000 J	التبخير
•	المجموع = 2 594 400 J ≈ 2.59 × 10⁶ J .	المجموع

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 25 / 34

8. تأثير كمية الحرارة ودرجة الحرارة على الكائنات البحرية

تتطلب معظم الكائنات الحية مدى محددًا من درجات الحرارة حتى تبقى حية. فقد تكون التغيرات الحادة في درجات الحرارة قاتلة في كثير من الحالات، خاصة للكائنات الدقيقة.
فالكائنات التي تعيش في المياه السطحية الدافئة قد تكون غير قادرة على العيش في الأعماق الباردة (والعكس). فمثلًا الشعاب المرجانية تحتاج إلى درجات حرارة محددة للبقاء، وتغير الحرارة بسبب تغير المناخ قد يؤدي إلى موتها (ابيضاضها — ويعرض الدرس 2-4 حالة الحاجز المرجاني العظيم عام 2016).
الحرارة النوعية المرتفعة للماء تجعل المحيطات والبحيرات خزانات حرارية ضخمة، حيث تمتص المياه في النهار كميات كبيرة من الطاقة الشمسية دون ارتفاع كبير في درجة حرارتها وتطلقها في الليل، فتحافظ على درجات حرارة مستقرة في البيئة البحرية. وتحمي هذه الخاصية الكائنات البحرية من التغيرات السريعة في درجة الحرارة، وبخاصة الكائنات ذات الدم البارد (Poikilotherms) التي تعتمد درجة حرارة جسمها على درجة حرارة البيئة المحيطة. ولهذا نجد الكثير من هذه الكائنات في أعماق البحار والمحيطات حيث تكون درجة الحرارة مستقرة.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 26 / 34

8.1 الكائنات ذوات الدم البارد وذوات الدم الدافئ

وجه المقارنة	ذوات الدم البارد	ذوات الدم الدافئ
درجة حرارة الجسم	تتغير مع درجة حرارة الوسط المحيط	تبقى ثابتة بفضل عمليات الأيض
مصدر الحرارة	خارجي: ضوء الشمس أو البيئات الدافئة	داخلي: عمليات الأيض
المجموعات	معظم الفقاريات: الأسماك والبرمائيات والزواحف، وجميع اللافقاريات كـمفصليات الأرجل والرخويات	الطيور والثدييات
الحاجة إلى الطاقة	منخفضة (تحتاج غذاءً أقل)	مرتفعة (يستخدم جزء كبير من طاقة الغذاء في توليد الحرارة)
الاعتماد على ثبات حرارة الماء	كبير	أقل

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 27 / 34

9. جدول ملخص

الخاصية	الحقائق الأساسية	الأهمية
الكثافة	1000 kg/m³ عند 4°C (العظمى)؛ تقل من 4°C إلى 0°C؛ الجليد 917 kg/m³	يطفو الجليد تتجمد البحيرات من السطح تبقى الحياة تحته
كثافة ماء المحيط	تزداد بزيادة الملوحة والضغط؛ وتتأثر بالحرارة	تسبب التيارات الرأسية
الهيدروميتر	يعتمد على الطفو السائل الأكثف ← حجم مغمور أقل	يقيس الكثافة
الحرارة ودرجة الحرارة	الحرارة بالجول ودرجة الحرارة بالكلفن؛ T = t + 273
الحرارة النوعية	الماء ≈ 4180 J/kg· K ؛ Q = mcΔt	اعتدال المناخ، نسيم البحر، الخزان الحراري
الحرارة الكامنة للتصعيد	(2.26 × 10⁶ J) / kg للماء	التعرق والنتح يبردان الكائنات

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 28 / 34

10. أخطاء شائعة

استخدام الجرامات في المعادلة Q = mcΔt. حوّلها إلى كيلوجرام.
نسيان أن ΔT بالكلفن تساوي Δt بالسيلزيوس (لا تضف 273 إلى فرق).
القول بأن أقصى كثافة للماء عند 0°C. الصحيح أنها عند 4°C.
القول بأن الجليد يطفو لأنه «أخف». السبب أن كثافته أقل بفعل الشبكة المفتوحة.
نسيان أن درجة الحرارة تبقى ثابتة أثناء التبخير.
.egp-ex{margin:18px 0;border:1px solid rgba(79,63,224,.2);border-radius:16px;overflow:hidden;background:#fff}.egp-ex-h{padding:10px 16px;font-weight:800;background:linear-gradient(90deg,#4f3fe0,#22c1c3);color:#1e1b4b}.egp-ex-tabs{display:flex;flex-wrap:wrap;gap:6px;padding:10px 12px;background:#f7f6ff}.egp-ex-b{border:1px solid rgba(79,63,224,.3);background:#fff;border-radius:20px;padding:5px 14px;font-weight:700;cursor:pointer}.egp-ex-b.on{background:#4f3fe0;color:#1e1b4b}.egp-ex-p{padding:12px 16px}

اختبر نفسك على هذا الدرس

تم توزيع أسئلة بنك الدرس على نقاط الشرح أعلاه
وكل نقطة تحتها أسئلتها. ولحل البنك كاملًا في صفحة واحدة:

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 29 / 34

الجداول والمخططات التوضيحية المستخرجة من أصول المنهج

💡 بيانات وجداول قياسية←تم استخراج كافة البيانات والجداول والمخططات التشريحية من أصول المنهج المعتمد بدقة عالية لتثبيت الفهم وربط النظري بالعملي.

🔬 شكل 1 – شذوذ كثافة الماء وتدرج الضغط المائي مع العمق

التفاصيل العلمية والملاحظات الدقيقة المأخوذة من الرسم التوضيحي:
(20 10 “اعم 33ات 1+) لاغأمعط دنا عابادوعرط علغأجغأدم لزلا
(زيادة الضغط المائي مع العمق)
طوم + قم ع م عربرووعمم إوأن1 سس
(360 1) عنووعع25 عأمعلام دم مام عم واد ساس
(5) ط طاغمعم
(م0غة) م عرندوععط أهأه1
1110121 5/ اع36 لالا 01 بإاأتددورع0 كباه 81101112
(شذوذ كنثافة الماء مع درحة الحرارة)
ع5 الا عربط 6ه بإاتدصعط 2«إدالز

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 30 / 34

الجزء 31

📖

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 31 / 34

📌 قاموس المصطلحات والمفاهيم العلمية الدقيقة:

شذوذ كثافة الماء (Anomalous Density of Water):
خاصية فيزيائية فريدة ينفرد بها الماء؛ حيث تقل كثافته ويزداد حجمه عند تبريده تحت درجة 4°C حتى يتجمد عند 0°C بسبب تجمع جزيئاته بروابط هيدروجينية في شكل بلورات جليد سداسية بينها فراغات واسعة.
الحرارة النوعية (Specific Heat Capacity:
c) كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة واحد كيلوجرام من المادة بمقدار درجة واحدة مئوية (أو كلفنية)، والماء السائل يمتلك أعلى حرارة نوعية بين السوائل المعروفة وتساوي 4184 J/(kg.°C).
الضغط الهيدروستاتيكي (Hydrostatic Pressure):
الضغط الناشئ عن وزن عمود السائل فوق وحدة المساحات عند نقطة معينة في باطن السائل، ويتناسب طردياً مع كثافة السائل وعمقه.

مبدأ باسكال (Pascal's Principle):
عند التأثير بضغط على سائل محبوس في إناء مغلق، فإن هذا الضغط ينتقل بتمامه وبلا أي نقصان إلى جميع أجزاء السائل وجدران الإناء الحاوي له.
الفائدة الآلية للمكبس الهيدروليكي (Mechanical Advantage:
η) النسبة بين القوة الكبيرة الناتجة على المكبس الكبير (F) إلى القوة الصغيرة المؤثرة على المكبس الصغير (f)، أو نسبة مساحة المكبس الكبير (A) إلى مساحة المكبس الصغير (a).

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 32 / 34

⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
قانون شذوذ كثافة الماء	[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: Density_max at 4°C = 1.000 g/cm³ ==> Density_ice at 0°C ≈ 0.917 g/cm³ ] الجليد أقل كثافة من الماء السائل ولذلك يطفو على السطح	الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةDensity
قانون كمية الحرارة المكتسبة أو المفقودة	[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: Q = m × c × ΔT ] m الكتلة بالكيلوجرام c الحرارة النوعية ΔT التغير في درجات الحرارة	الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةالكتلة
معادلة مبدأ باسكال للمكبس الهيدروليكي المثالي	[ الصيغة الفيزيائية والرياضية: F / f = A / a = y1 / y2 = η ] F و f القوتان A و a المساحتان y1 و y2 إزاحتا المكبسين الصغير والكبير	الصيغةالفيزيائيةوالرياضيةالقوتان

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 33 / 34

🔍 الشرح والتحليل المستفيض وتفسيرات علل والاستنتاجات:

★ كتاب الشرح والتفصيل العلمي الشامل المعتمد 2026 / 2027 ★
كتاب الشرح المفصل الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة الشاذة والحرارة النوعية والضغط المائي)
الصف الأول الثانوي (علوم متكاملة 2026/2027) | المحور الأول – النظم البيئية المائية واستدامة الموارد | المنهج المصري الحديث 2026/2027
🎯 أهداف التعلم ومخرجات الفهم الوزارية المقررة 2026/2027:
• تفسير شذوذ كثافة الماء عند درجة 4°C وتكون بلورات الجليد السداسية وانخفاض الكثافة بالبرودة.
• توضيح دور شذوذ كثافة الماء في حفظ الحياة المائية في المناطق القطبية المتجمدة.
• شرح مفهوم الحرارة النوعية العالية للماء وتأثيرها الملطف للمناخ والاتزان الحراري لكائنات اليابسة والبحار.
• حساب الضغط الهيدروستاتيكي في السوائل وتطبيق مبدأ باسكال في المكابس الهيدروليكية والحياة اليومية.

• دراسة طاقة المد والجزر والأمواج كمصادر طاقة كهرومائية متجددة ونظيفة.

1. شذوذ كثافة الماء عند 4°C وحفظ الحياة في المناطق القطبية

تتبع جميع السوائل في الطبيعة قاعدة فيزيائية عامة تنكمش بالتبريد وتزداد كثافتها باستمرار حتى تتجمد. ولكن الماء يشذ عن هذه القاعدة تماماً عند درجات الحرارة المنخفضة:
عندما يبرد الماء من درجات حرارة مرتفعة، ينكمش وتقل مسافاته البينية وتزداد كثافته بصورة طبيعية حتى يصل إلى درجة 4°C، وتكون كثافة الماء عند 4°C هي أعلى وأقصى كثافة يمكن أن يصل إليها (1.000 g/cm³ أو 1000 kg/m³).
ماذا يحدث عند تبريد الماء تحت 4°C حتى الصفر؟
تبطؤ حركة الجزيئات وتبدأ الروابط الهيدروجينية في ترتيب الجزيئات في شبكة بلورية سداسية الشكل مجوفة تحتوي على فراغات بينية هوائية كبيرة وواسعة.

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
يترتب على هذا الترتيب الهندسي المتباعد	زيادة حجم الماء فجأة بنسبة نحو 9% وانخفاض كثافته لتصل إلى نحو 0.917 g/cm³ عند درجة الصفر المئوي	زيادةالماءفجأةبنسبة
•	الأهمية البيولوجية العظمى لهذه المعجزة الإلهية	الأهميةالبيولوجيةالعظمىلهذه
في البحيرات والبحار القطبية المتجمدة	عندما تنخفض حرارة الجو تحت الصفر تتجمد الطبقة السطحية العليا من الماء وتتحول لجليد أقل كثافة فيطفو الجليد على السطح مشكلاً طبقة عازلة حرارياً تحمي المياه العميقة تحته من استمرار التجمد وتظل المياه السفلية في القاع سائلة عند درجة حرارة 4°C مما يسمح للأسماك والحيتان وسائر الكائنات البحرية بالبقاء والتكاثر والنجاة طوال الشتاء القارس!	عندماتنخفضحرارةالجو

2. الحرارة النوعية الفائقة للماء والاتزان المناخي والحراري

تمتلك مياه المحيطات والبحار أعلى حرارة نوعية بين المواد الشائعة (c = 4184 J/kg.°C)
وهي أكبر بنحو 10 أضعاف من الحديد و 5 أضعاف من الرمال والصخور.

معنى هذا فيزيائياً أن الماء يحتاج إلى امتصاص كميات هائلة جداً من الطاقة الحرارية لترتفع درجة حرارته بمقدار طفيف، كما يفقد كميات هائلة من الحرارة ببطء شديد حتى تنخفض حرارته.
التأثير المناخي العالمي (مكيف هواء الكوكب):

3. الضغط الهيدروستاتيكي، مبدأ باسكال، وتطبيقات المكبس الهيدروليكي

الضغط في السوائل الساكنة←يمارس السائل ضغطاً متساوياً في جميع الاتجاهات عند أي نقطة تقع في نفس المستوى الأفقي، ويتحدد بالعلاقة: P = ρ g h. وهذا يفسر لماذا تبنى السدود (مثل السد العالي في أسوان) بحيث تكون قاعدتها السفلية عريضة وسميكة جداً بالمقارنة بقمة السد، لتتحمل الزيادة الهائلة في الضغط المائي عند الأعماق الكبيرة.

مبدأ باسكال (Pascal's Principle) السوائل غير قابلة للانضغاط؛ لذلك عندما يؤثر ضغط خارجي على مكبس سائل محبوس، ينتقل الضغط بكامله لكل نقطة في السائل وجدران الإناء.
تطبيقات مبدأ باسكال الصناعية:

3. كرسي طبيب الأسنان ومصاعد السيارات في محطات الخدمة.

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	كلمات مفتاحية
جدول	مقارنة بين كثافة الماء والجليد وتأثير الحرارة النوعية	مقارنةكثافةالماءوالجليد
•	✏️ أمثلة ومسائل وتطبيقات محلولة بالخطوات النموذجية والبرهان العلمي	أمثلةومسائلوتطبيقاتمحلولة
•	★ مسألة المكبس الهيدروليكي وحساب القوة والفائدة الآلية	مسألةالمكبسالهيدروليكيوحساب
المعطيات والمطلوب	مكبس هيدروليكي مثالي مساحة مقطع مكبسه الصغير 10 cm² ومساحة مقطع مكبسه الكبير 500 cm². أثرت قوة مقدارها 200 N على المكبس الصغير. احسب: (1) الفائدة الآلية للمكبس η (2) أكبر كتلة يمكن رفعها بواسطة المكبس الكبير متزنة مع هذه القوة (3) المسافة التي يتحركها المكبس الكبير إذا تحرك المكبس الصغير مسافة 25 cm. (g = 10 m/s²)	مكبسهيدروليكيمثاليمساحة
•	خطوات الحل والبرهان الفيزيائي	خطواتالحلوالبرهانالفيزيائي
[1] المعطيات	a = 10 cm² A = 500 cm² f = 200 N g = 10 m/s²
[2] أولاً	حساب الفائدة الآلية للمكبس: η = A / a = 500 / 10 = 50 (بدون وحدات قياس)	حسابالفائدةالآليةللمكبس
[3] ثانياً	حساب القوة المؤثرة على المكبس الكبير F: F = η × f = 50 × 200 = 10 000 N	حسابالقوةالمؤثرةالمكبس
[4] حساب أقصى كتلة يمكن رفعها (M)	F = M × g ==> M = F / g = 10 000 / 10 = 1 000 kg (طناً واحداً بالكامل!)	واحدابالكامل
[5] ثالثاً	حساب مسافة حركة المكبس الكبير y2: الشغل مبذول وثابت في المكبس المثالي: f × y1 = F × y2	حسابمسافةحركةالمكبس
•	[6] y1 / y2 = F / f = η ==> 25 / y2 = 50 ==> y2 = 25 / 50 = 0.5 cm
[7] الاستنتاج	استطاعت قوة صغيرة مقدارها 200 نيوتن رفع سيارة كتلتها طن كامل وتحرك المكبس الصغير مسافة 25 سم ليرتفع المكبس الكبير نصف سنتيمتر	استطاعتصغيرةمقدارهانيوتن
💡 فنية وتريك للحل السريع وتجنب الخطأ	تذكر دائماً في المكبس الهيدروليكي: القوة تتضاعف بنسبة المساحات ولكن المسافة تقل بنفس النسبة ليبقى الشغل ثابتاً!	تذكردائماالمكبسالهيدروليكي

الخاصية الفيزيائية	الماء السائل عند 4°C	الجليد الصلب عند 0°C	رمال الصحراء / الصخور الصلبة
قيمة الكثافة (Density)	1.000 g/cm³ (أعلى كثافة ممكنة)	0.917 g/cm³ (أقل من الماء السائل)	2.65 g/cm³ (كثافة عالية ترسب في الماء)
الشكل والترتيب الجزيئي	جزيئات متقاربة ومترابطة عشوائياً	بلورات سداسية متباعدة وفراغات واسعة	شبكة بلورية صلبة متراصة جداً
الحرارة النوعية (c)	4184 J/(kg.°C) (أعلى قيمة سائلة)	2100 J/(kg.°C) (نصف السائل)	800 J/(kg.°C) (تسخن وتبرد بسرعة فائقة)
التأثير على الطفو والغرق	يستقر دائماً في قاع البحيرات الباردة	يطفو على سطح الماء كعازل حراري	تغرق سريعاً في الماء السائل
الوظيفة البيئية الحيوية	يوفر موطناً آمناً لحياة الأسماك شتاءً	يحمي الماء العميق من التجمد القاتل	تسخن هواء اليابسة نهاراً وتبرده ليلاً

💡 💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

كثافة الماء تبلغ أقصاها عند 4°C وتقل بالتبريد حتى الصفر بسبب بلورات الجليد السداسية المجوفة.
طفو الجليد على أسطح البحيرات القطبية يحفظ حياة الكائنات البحرية في القاع عند 4°C.
الماء له أعلى حرارة نوعية ويلعب دور المنظم والملطف للمناخ العالمي وتيارات نسيم البحر والبر.
تبنى السدود عريضة عند القاعدة لتحمل الزيادة الكبيرة في الضغط المائي المتناسب طردياً مع العمق (P = ρgh).
مبدأ باسكال يطبق فقط على السوائل المحبوسة لأنها غير قابلة للانضغاط وينص على انتقال الضغط بتمامه.

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-3: الخواص الفيزيائية للماء (الكثافة والحرارة النوعية والحرارة الكامنة) · 34 / 34