1. سلسلة الطريق الى الجامعة فى الفيزياء خلاصة علم وتجربة وفكر متميز وخبرة أكثر من ربع قرن
فيزياء درجة الحرارة المنخفضة (التبريد)
ھو العلم الذى يھتم بدراسة سلوك المواد فى درجات الحرارة المنخفضة :(Cryogenics)
والتى تقترب من الصفر المطلق(صفر كلفن) ٠
ملاحظة : المقیاس المستخدم لقیاس درجات الحرارة المنخفضة ھو مقیاس كلفن.
ھو غاز وھمى تصوره العلماء ويتمیز بالآتى: :
١- یتكون من جزیئات صغیرة تامة المرونھ ٠
٢- حجم جزیئاتھ یمكن أھمالھا بالنسبة لحجم الأناء ٠
٣- قوى الجذب المتبادل بین جزیئاتھ وبعضھا یمكن أھمالھا ٠
٤- ینطبق علیھ القانون العام للغازات ، ونظریة الحركة.
٥- یتلاشى كل من حجمھ وضغطھ عند درجة الصفر المطلق ٠

 
لاتنطبق علیھ قوانین الغازات عند الضغوط العالیة
ودرجات الحرارة المنخفضة
تنطبق علیھ قوانین الغازات
ونظریة الحركة
لاتنطبق علیھ نظریة الحركة للغازات تماما تنطبق علیھ نظریة الحركة للغازات
لانھمل فیھ حجم جزیئات الغاز نھمل فیھ حجم جزیئات الغاز
تظھر فیھ قوى فاندرفالز فى الضغوط العالیة والكثافة
العالیة ودرجات الحرارة المنخفضة
لاتظھر فیھ قوى فانرفالز(قوى الجذب المتبادلة) لأنھ
یھملھا
لایتلاشى حجمھ وضغطھ عند الصفر المطلق ویكون
0 طاقة سكون ko لجزیئاتھا عند
یتلاشى كل من حجمھ وضغطھ وطاقة حركة جزیئاتھ
عند صفر كلفن (المطلق)

١- أھملت نظرية الحركة حجم جزيئات الغاز بالنسبة لحجم الأناء الذى يشغله الغاز
ولكن عند الضغوط العالیة ودرجة الحرارة المنخفضة يقل حجم الإناء لدرجة يصبح
معھا اھمال حجم الجزيئات خطأ بالنسبة لحجم الأناء ٠
٢- أھملت نظرية الحركة قوى التجاذب بین جزيئات الغاز وھذا يمكن قبوله فى
درجات الحرارة العالیة والضغط المنخفض حیث تكون المسافات كبیرة بین الجزيئات
وتكون قوى التجاذب بینھما غیر مؤثرة ٠
ولكن فى الدرجات المنخفضة والضغط العالى يقل الحجم وتتقارب الجزيئات
فتظھر قوى التجاذب بین الجزيئات وبعضھا لدرجة لايمكن أھمالھا ٠
ويلاحظ أنه: عند زيادة الكثافة تختلف خواص الغاز الحقيقى عن خواص الغاز المثالى حيث تظھر قوى الجذب
بين الجزيئات وبعضھا وذلك لتقارب الجزيئات ٠
ھوالتأثیرالمتبادل بین الجزیئات الغازیة والذى یظھرفى صورة قوى تجاذب بین :
الجزیئات وبعضھا وھو یختلف عن التفاعل الكیمیائى بین الذرات والذى یؤدى الى تكوین الجزیئات
 ؟
١- عند زيادة الضغط يظھر تأثیرفان در فالز بین جمیع الجزيئات.
٢- يتجاذب كل جزيئین معا نتیجة أقترابھما من بعض ثم يتتابع اجتذاب جزيئات اخرى الیھم
وھكذا.
٣- تزداد كثافة الغاز تدريجیا الى أن يتم انتقال المادة الى الحالة المكثفة سواء للحالة
السائلة أو للحالة الجامدة ٠

١- يتم ذلك بواسطة سحب الطاقة من المادة ، وينتج عن ذلك أنخفاض فى درجة حرارة
المادة المراد تبريدھا ٠
٢- وسحب الطاقة من المادة يتم بعدة طرق مختلفة منھا: ملامسة مادة بأخرى مبردة
مسبقا عند درجة حرارة منخفضة جدا ٠
٣- مثال يستخدم الثلج العادى أوالثلج الجاف(ثانى أكسید الكربون المثلج) أو الھواء السائل
فى تبريد المواد ٠
77 ) وھى درجة حرارةالنتروجین السائل، كما أمكن الوصول Ko) ٤- وقد تم الوصول الى درجة
4.2 وھى درجة الھلیوم المسال ٠ Ko الى درجة
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة 2015 S.A / أ

2. سلسلة الطريق الى الجامعة فى الفيزياء خلاصة علم وتجربة وفكر متميز وخبرة أكثر من ربع قرن
مقارنة بين تأثير 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
لایتاثر بوجود عوامل حفازة یتأثر بوجود عوامل حفازة
یحدث نتیجة تقارب جزیئات الغاز یتم بین الذرات
نتیجتھ تتحول المادة الى الحالة السائلة أو حتى
الجامدة(تكثیف الغاز) أى تبقى المادة كما ھى
نتیجتھ تتكون مادةجدیدة
لاتتكون بین الجزیئات روابط جدیدة یتكون فیھ روابط جدیدة بین الذرات
(Superfluidity) السيولة الفائقة
ھى خاصیة لبعض الغازات المسالة تجعلھا تتمیز بقدرتھا الفائقة على التدفق دون مقاومة 
أو احتكاك (عدیم اللزوجة) عند تبریدھا لدرجة حرارة تقترب من الصفر المطلق ٠
الھلیوم المسال :
ماذا يحدث لسائل الهليوم فى درجات الحرارة المنخفضة) ):
١- فائق السیولة
٢- تتلاشى لزوجته كلیا(لزوجته = صفر)
٣- يمتازبأمكانیة الأنسیاب لأعلى دون توقف على جدران الوعاء الحاوى له وضد الجاذبیة ٠
٤- حرارته النوعیة صغیرة جدا ٠
٥- موصلا جیدا للحرارة ٠
٦- يتمدد بالتبريد ٠
٧- يتسرب حتى من خلال أضیق المسام ٠
أمثلة للسلوك الغريب للمادة ذات السيولة الفائقة:
١- عندما يوضع الھلیوم المسال فى أنبوبة أختبار!!!!!!
نجد أن سائل الھلیوم ينساب لأعلى على جوانب الوعاء الذى
يحتويه وذلك ضد الجاذبیة الأرضیة ، ثم ينسكب من أعلى الأنبوبة
ولذلك يسمى بالغاز الھارب ، والذى جاء منھا أسم الھلیوم ٠
٢- عندما يوضع السائل ذو السیولة الفائقة فى أناء وأدير الأناء من سكون، فان السائل
بداخله لايتحرك أبدا رغم دوران الأناء( لأن لزوجة ھذا السائل = صفر) (مثال دخان فى
زجاجةتدور والدخان كما ھو ثابت لايتحرك)
٣- اذا وضع ضوء يلمع من أسفل أناء يحتوى على سائل ذو سیولة فائقة وكان
الأناء مفتوح من أعلى نلاحظ السائل يتدفق لأعلى على شكل نافورة ٠
مقارنه بين سائل الهليوم وسائل النتروجين
 
77Ko 4.2 (منخفضة) نقطة غلیانھ أعلى من Ko نقطة غلیانھ
حرارتھ النوعیة أقل حرارتھ النوعیة أعلى
من أفضل الموصلات الحراریة أقل فى التوصیلیة الحراریة
ینساب لأعلى دون توقف على جدار الأناء الذى یحتویھ لاینساب لأعلى
تستخدم فى تخزینھ قارورتین یملأ ما بینھما بسائل النتروجین یحفظ فى قارورة دیوار واحدة
أفضل من النتروجین السائل فى عملیة التبرید بطریقة (التلامس)
(Dewar ◌ُ s Flask) قارورة ديوار
عبارة عن وعاء معدنى أو زجاجى من البیركس مزدوج الجدار
ومفرغ من الھواء لمنع تسرب وأنتقال الحرارة من داخله ٠
:
عبارة عن وعاء زجاجى من البیركس مزدوج الجدار،وبین الجدارين
فراغ (علل) لمنع أنتقال الحرارة بالتوصیل أو الحمل
وأسطح الجدران الداخلیة مطلیة بالفضة (علل)
لتقلیل أنتقال الحرارة بالأشعاع ٠
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة 2015 S.A / أ

3. سلسلة الطريق الى الجامعة فى الفيزياء خلاصة علم وتجربة وفكر متميز وخبرة أكثر من ربع قرن

لتخزين الغازات السائلة ذات درجات الحرارة المنخفضة جدا،
77 ) والأكسجین Ko مثل النتروجین المسال (نقطة علیانه
٠ (90Ko المسال( نقطة غلیانه
أسطح
عاكسھ
(4.2Ko أما بالنسبة لسائل الھلیوم(نقطة غلیانه
ونظرا لأن حرارته النوعیة منخفضة وكذلك نقطة غلیانه
يستخدم لتخزينه أناءين من نوعیة قارورة ديوار بحیث يوضع
أحدھما فى الآخر وتملأ المسافة الفاصلة بین الأناءين بسائل النتروجین ٠
الطاقة الحرارية التى يكتسبها غاز وتحولاتها
الحرارة تنتقل عندما يكون ھناك أختلاف فى درجة الحرارة بین النظام والوسط المحیط ٠
Qth
الصورة الأولى الصورة الثانیة
(Δu) ھى زیادة طاقة الغاز الداخلیة
والتى تتمثل فى أرتفاع درجة حرارتھ
الذى تبذلھ جزیئات الغاز (w) ھى الشغل
وهناك نوعان من التبادل الحرارى
وفیھا تكون: Isothermal ویعرف 
١- درجة حرارة الغاز ثابتھ مع الوسط المحیط ٠
(Δ܃ = ૙) ٢- الطاقة الداخلیة للغاز ثابتھ
٣- كل الطاقة المكتسبة تتحول بالكامل الى شغل میكانیكى یبذلھ الغاز ٠
∵ ࡽ ࢚ࢎ = Δࢃ + Δࢁ
, ∵ Δࢁ = ૙ ≫≫ ∴ Δࡽ࢚ࢎ = Δࢃ
وفیھا: Adiabatic ویعرف :
١- يتم عزل الغاز حراريا عن الوسط المحیط ٠
( Qth= ٢- الغاز لا يكتسب أو يفقد أى كمیة حرارة مع الوسط المحیط به ( 0
٣- الشغل المبذول من الغاز يتم على حساب طاقته الداخلیة
∵ ΔQth = Δw + Δu
, ∵ Qth= 0
∴ 0 = Δw + Δu
∴ Δw = - Δu
سالبة أى أن الطاقة الداخلیة للغاز تنخفض (Δu) موجبة وتصبح (W) ١-الغاز یبذل شغلا فتكون :
لذا یبرد الغاز ٠
موجبة فتزداد الطاقة الداخلیة للغلز فترتفع Δu سالبة وتصبح ( Δw) ٢- إذا بذل شغل على الغاز تكون
درجة حرارتھ ٠
علل)  :
لأن الشغل یبذل على حساب الطاقة الداخلیة ٠
علل) )
لأن الشغل المبذول على الغاز یتحول تماما الى طاقة داخلیة وھذه الزیادة فى الطاقة الداخلیة تسبب تغیر درجة
الحرارة فى النظام ٠
للعملیتین الأیزوثرمیة ، والأدیباتیة ھى الثلاجة والسائل المستخدم فى التبرید ھو غاز الفریون 
- 30co المسال أو بدائلھ حیث درجة غلیانھ
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة 2015 S.A / أ
فراغ
سائل

4. سلسلة الطريق الى الجامعة فى الفيزياء خلاصة علم وتجربة وفكر متميز وخبرة أكثر من ربع قرن

 
یتم فیھ عزل الغاز عن الوسط المحیط حراریا
لایكتسب الغاز حرارة ولا یفقد حرارة مع الوسط المحیط Δ u = الطاقة الداخلیة تكون ثابتھ 0
تكون درجة حرارة الغازعنده ثابتھ مع
الوسط المحیط
Qth = 0
فى ھذا التبادل تتحول الطاقة المكتسبة
Qth = W بالكامل الى شغل یبذلھ الغاز
الشغل المبذول یتم على حساب طاقة الغاز الداخلیة فاذا بذل
الغاز شغلا تنخفض طاقتھ الداخلیة ٠ واذا بذل شغل على
وترتفع درجة حرارة الغاز Δu الغاز تزید الطاقة الداخلبة
الثلاجة الكھربیة أوضح تطبیق على العملیة الثلاجة الكھربیة أوضح تطبیق على العملیة
(Super Conductivity) ظاھرة التوصیل الفائق
عندما تنخفض درجة حرارة بعض المواد مثل (البلاتین، الألومنیوم، الزنك ، الرصاص ، الزئبق، وبعض
المركبات المعدنیة) الى بعض درجات فوق الصفر المطلق فإن:
١- المادة تفقد مقاومتھا (أى أن) المقاومة الكھربیة فى ھذه الحالة=صفر
٢- تصبح التوصیلیة الكھربیة لھذه المواد كبیرة جدا ٠
٣- تصبح قابلیة مرور التیار الكھربى خلالھا عالیة جدا ٠
بالكلفن والمقاومة (T) وعند رسم العلاقة البیانیة بین
نجد أنه عندما تنخفض درجة الحرارة تقل (R) الكھربیة
حتى تنعدم عند درجة معینه ثم تنخفض فجأة الى الصفر ٠ (R)
ويتم ذلك عند درجة حرارة معینة تسمى بدرجة الأنتقال
(الدرجة الحرجة) وتصبح المادة فى ھذه الحالة فائقة التوصیل ٠
 
وھى صفة ممیزة لمعادن التوصیل الفائق وعندھا: (Tc) ھى درجة تبريد معینة
 
اذا مر تیار كھربى فى حلقة من المواد فائقة التوصیل فان:
١- التیار یستمر فى ھذه الحلقة لعدة سنوات حتى لو ازیل فرق الجھد الخارجى والمسبب لھ ٠
٢- ھذا التیار لایعانى من أى مقاومة ٠
٣- التیار یستمر دون فقد طاقة ٠
٤- الفلز لا یسخن نتیجة مرور التیار الكھربى فیھ ٠
٥- لھا مقدرة عالیة على ألتقاط أضعف الأشارات اللاسلكیة لذلك تستخدم فى دوائر الأستقبال وفى الأقمار
الصناعیة ٠
Meissner Effect
 
١- لحظة تقريب المغناطیس الدائم من القرص يتولد تیار تأثیرى فى القرص ٠
٢- التیار التأثیرى المتولد يولد مجال مغناطیسى فى القرص ٠
٣- يتنافر المجال المغناطیسى المتولد فى القرص مع المجال المغناطیسى للمغناطیس
الدائم فیظل المغناطیس الدائم معلقا فى الھواء فوق القرص ٠
٤- المجال المغناطیسى المتولد فى القرص يستمر لأستمرار التیار التأثیرى حتى بعد زوال
المجال المغناطیسى الدائم والمسبب له ٠ (وھذا يسمى ظاھرة مايسنر)
 
١- المواد الفائقة التوصیل من نوع المواد المغناطیسیة التى تنعدم داخلھا شدة المجال
المغناطیسى( مواد دايا مغناطیسیة) ٠
٢- ونظرا لأن ھذه المواد مقاومتھا الكھربیة منعدمة لذلك يؤثر مجال المغناطیس الدائم
بسھولة على الألكترونات الحرة فى المادة فائقة التوصیل مما يجعلھا تحتفظ بطاقة
حركتھا فیستمر سريان التیار الكھربى داخلھا ٠
٣- المجال المغناطیسى المتولد داخل المادة فائقة التوصیل لابد وان يكون أتجاھه عكس
أتجاه المجال المغناطیسى الخارجى المولد له بحیث تكون المحصلة داخل ھذه المادة
دائما = صفر ٠
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة 2015 S.A / أ
R
بالأوم
T كلفن T C
الدرجة الحرجة

5. سلسلة الطريق الى الجامعة فى الفيزياء خلاصة علم وتجربة وفكر متميز وخبرة أكثر من ربع قرن
 
أولا: فى تصمیم القطارات فائقة السرعة (القطار الطائر) حیث:
١- يحمل القطار ملفات من مادة فائقة التوصیل ٠
٢- عندما يتحرك القطار فأنه يولد تیار فى ملفات ثابتة عمودية تولد مجالا مغناطیسیا ٠
٣- يتنافر المجالان المغناطیسیان فیرتفع القطار فوق القضبان عدة سنتیمترات ٠
٤- نتیجة ذلك يزول الأحتكاك مع القضبان وكأن القطار يتحرك فوق وسادة ھوائیة ٠
٥- تبلغ سرعة القطار الطائر 225 كم/س ٠
ثانیا: استخدامت المواد فائقة التوصیل فى محطات تولید القوى الكھربیة وفى خطوط
نقل الكھرباء لأنعدام المقاومة وبالتالى لايكون ھناك فقد فى الطاقة ٠
ثالثا: تستخدم فى صناعة ھوائى الأقمار الصناعیة ٠
رابعا: تستخدم مغناطیسیات خاصة من مواد فائقة التوصیل فى التصوير بالرنین
المغناطیسى ٠
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فيزياء درجات الحرارة المنخفضة 2015 S.A / أ