حل الفصل الخامس الطاقة الحرارية كتاب فيزياء 2 للمرحلة الثانوية و حلول كتاب الفيزياء 2 المرحلة الثانوية للعام الدراسي 1442 هـ.
يتضمن الفصل الخامس درسين هما على الترتيب: درجة الحرارة والطاقة الحرارية - تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية، بالإضافة إلى تقويم الفصل.
الفصل الخامس الطاقة الحرارية
نكمل معكم باستعراض حلول الفصل الخامس في حل كتاب فيزياء 2 مقررات ثانوي وهو خامس فصول الكتاب لهذا الفصل الدراسي.
حل درس درجة الحرارة والطاقة الحرارية
مسائل تدريبية
السؤال : حول درجات الحرارة الآتية من مقياس كلفن إلى مقياس سلسيوس .
a. 115 K
b. 172 K
c. 125 K
d. 402 K
e. 425 K
f. 212 k
الجواب :
a.
b.
c.
d.
e.
f.
السؤال : احسب درجات الحرارة بالكلفن والسلسيوس لكل مما يلي :
a. درجة حرارة الغرفة
b. ثلاجة نموذجية
c. يوم صيفي حار في مدينة الرياض
d.إحدى ليالي الشتاء في مدينة تبوك
الجواب :
a.إن درجة حرارة الغرفة نحو 72 0F ، أو 22 0C أو 295 K تقريبا
b. تبلغ درجة حرارة الثلاجة نحو 4 0C ، أو 277 k تقريبا
c. تبلغ درجة الحرارة في يوم صيفي حار في مدينة الرياض نحوF 118.4 ، ، 48 C ، 321 K .
d. تبلغ درجة الحرارة في ليلة شتاء عادية في مدينة تبوك نحو 8 C أو 281 K .
السؤال : عندما تفتح صنبور الماء الساخن لغسل الأواني فإن أنابيب المياه تسخن . فما مقدار كمية الحرارة التي يمتصها أنبوب ماء نحاسي كتلته 2.3 kg عندما ترتفع درجة حرارته من 20.0 0C إلى 80.0 0C ؟
الجواب :
السؤال : يحتوي نظام التبريد لسيارة على 20.0 L من الماء . علما بأن كتلة لتر واحد من الماء تساوي 1 kg .
a. إذا اشتغل المحرك حتى حصل على 836.0 kJ من الحرارة ، فما مقدار التغير في درجة حرارة الماء ؟
b. إذا كان الفصل شتاء ، ونظام التبريد في السيارة مملوء بالميثانول ذي الكثافة 0.80 g/cm 3 فما مقدار الزيادة في درجة حرارة الميثانول إذا امتص 836.0 kJ من الحرارة
c. أيهما يعد مبردا أفضل ، الماء أم الميثانول ؟ فسر إجابتك .
الجواب :
a.
b.
c. الماء هو المبرد الأفضل عند درجات حرارة أعلى من 0C 0، لأنه يستطيع أن يمتص الحرارة دون أن تتغير درجة حرارته كثيرا على عكس الميثانول .
السؤال : تبيع شركات الكهرباء الطاقة الكهربائية بوحدة KWh ، حيث إن 1KWh = 3.6x106 J . افترض أن ثمن كل 1KWh يساوي 0.15 ريال . فما تكلفة تسخين 75 kg من الماء من درجة حرارة 15 0C إلى 43 0C ؟
الجواب :
السؤال : خلطت عينة ماء كتلتها 2.00 x 10 2 g ودرجة حرارتها 80.0 C مع عينة ماء كتلتها g 2.00 x 102 ودرجة حرارتها 10.0 0 C . افترض عدم فقدان حرارة إلى المحيط الخارجي ، ما درجة الحرارة النهائية للخليط ؟
الجواب :
السؤال : خلطت عينة ميثانول كتلتها g 4.00 x 102 ودرجة حرارتها 16.0 0C مع عينة ماء كتلتها g 4.00 x 102 ودرجة حرارتها 85.0 0C . مفترضا عدم فقدان حرارة إلى المحيط الخارجي ، ما درجة الحرارة النهائية للخليط ؟
الجواب :
السؤال : وضحت ثلاثة أوزان فلزية لصيد السمك في ماء كتلته 1.00x102 g ودرجة حرارته 35.0 C فإذا كانت كتلة كل قطعة فلزية 1.00x102 g ودرجة حرارتها 100.0 0C ، وكانت درجة حرارة الخليط النهائية 45.0 0C ، فما الحرارة النوعية للفلز في الأوزان ؟
الجواب :
الحرارة المكتسبة بواسطة الماء:
حرارة النوعية للفلز في الأوزان :
السؤال :. وضع قالب فلزي في ماء كتلته 1.00 x 102 g ودرجة حرارته 10.0 0 C ، فإذا كانت كتلة القالب 1.00 x 102 g ودرجة حرارته 100.0 0 C وكانت درجة الحرارة النهائية للخليط 25.0 0 C . فما الحرارة النوعية لمادة القالب ؟
الجواب :
الحرارة المكتسبة بواسطة الماء
الحرارة النوعية لمادة القالب :
السؤال :. درجات الحرارة حول درجات الحرارة الآتية لأنظمة القياس المشار إليها :
أ- 5 0C إلى كلفن .
ب- 34K إلى سلسيوس
ج- 212 C إلى كلفن
د- 316 K على سلسيوس
الجواب :
a. Tk = Tc + 273 = 5+273 = 278 K
b. Tc = Tk - 273 = 34 - 273 = -239 0C
c. Tk = Tc + 273 = 212 +273 = 485 K
d. Tc = Tk - 273 = 316 - 273 = 43 0C
السؤال : التحويلات حول درجات الحرارة الآتية إلى كلفن .
a. 28 C
b. 154 C
c. 568 C
d. -55 C
e. -184 0C
الجواب :
a. Tk = Tc + 273 = 28 +273 = 301 K
b. Tk = Tc + 273 = 154 +273 = 427 K
c. Tk = Tc + 273 = 568 +273 = 841 K
d. Tk = Tc + 273 = -55 +273 = 218 K
e. Tk = Tc + 273 = -184 +273 = 89 K
السؤال : الطاقة الحرارية هل يمكن أن تكون الطاقة الحرارية لكمية من الماء الساخن مساوية للطاقة الحرارية لكمية أخرى من الماء البارد ؟ فسر إجابتك .
الجواب : إذا كانت الكميتان متماثلتان فإن لكمية الماء الساخن طاقة حرارية أكبر .
السؤال : انتقال الحرارة لماذا تبقى البطاطا المشوية ساخنة مدة أطول من أي طعام آخر في الطبق نفسه ؟
الجواب : إن للبطاطا حرارة نوعية كبيرة ولا توصل الحرارة بصورة جيدة ، لذا فإنها تفقد حرارتها ببطء .
السؤال : الحرارة يكون بلاط أرضية الحمام في الشتاء باردا عند لمسه بالقدم رغم أن باقي غرفة الحمام دافئة ، فهل تكون الأرضية ابرد من سائر غرفة الحمام ؟
الجواب : يوصل البلاط الحرارة بكفاءة عالية أكثر من معظم المواد .
السؤال : السعة الحرارية النوعية إذا تناولت ملعقة بلاستيكية من فنجان شاي حار ووضعتها في فمك ، فلن تحرق لسانك ، على الرغم من أنك قد تحرق لسانك بسهولة لو وضعت الشاي الحار في فمك مباشرة . فلماذا ؟
الجواب : للملعقة البلاستيكية حرارة نوعية أقل ، لذا لا تنقل الكثير من الحرارة إلى لسانك عندما تبرد .
السؤال : الحرارة يستعمل كبار الطباخين في أغلب الأحيان مقالي طبخ مصنوعة من الألمنيوم السميك أفضل من الرقيق للطبخ ؟
الجواب : يؤدي الألومنيوم السميك إلى إيصال الحرارة بصورة أفضل ولا تكون في بقع أسخن مما حولها .
السؤال : الحرارة والطعام لماذا يتطلب شي حبة البطاطس كاملة مدة أطول من قليها على شكل شرائح صغيرة ؟
الجواب : لا توصل البطاطس الحرارة جيدا ، كما يؤدي تقسيمها إلى أجزاء صغيرة إلى زيادة المساحة السطحية ، مما يزيد من تدفق الحرارة إليها . وبعد تدفق الحرارة من الزيت الحار إلى البطاطس (كما في القلي) أكثر كفاءة من تدفق الحرارة من الهواء الساخن إلى البطاطس (كما في الشي)
السؤال : التفكير الناقد قد ينتج بعض الضباب فوق سطح الماء عندما يسخن ، قبل بدء الغليان مباشرة . فما الذي يحدث ؟ وأين يكون الجزء الأبرد من الماء في القدر ؟
الجواب : تتدفق الحرارة من الموقد (الجزء الأسخن) إلى قمة سطح الماء (الأبرد )
حل درس تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية
السؤال : ما مقدار الحرارة اللازمة لتحويل كتلة من الجليد مقدارها 1.00 x 102 g ودرجة حرارتها -20.0 0C إلى ماء درجة حرارته 0.0 0C ؟
الجواب :
السؤال : اذا سخنت عينة ماء كتلتها 2.00x102 g ودرجة حرارتها 60.0 0C فأصبحت بخارا درجة حرارته 140.0 0C ، فما مقدار الحرارة الممتصة ؟
الجواب :
السؤال : احسب كمية الحرارة اللازمة لتحويل 3.00 x 10^2 g من جليد درجة حرارته -30.0 0C إلى بخار ماء درجة حرارته 130.0 0C ؟
الجواب :
السؤال : يمتص بالون غاز 75 J من الحرارة . فإذا تمدد هذا البالون وبقي عند درجة الحرارة نفسها ، فما مقدار الشغل الذي بذله البالون في اثناء تمدده ؟
الجواب :
بما أن درجة الحرارة لا تتغير فإن قيمة التغير U تساوي صفر .
ومنه فإن مقدار الشغل الذي بذله البالون في اثناء تمدده يساوي 75 J .
السؤال : . يثقب مثقب كهربائي فجوة صغيرة في قالب من الألمنيوم كتلته 0.40 kg فيسخن الألمنيوم بمقدار 5.0 0C ، ما مقدار الشغل الذي بذله المثقب ؟
الجواب :
السؤال : . كم مرة يتعين عليك إسقاط كيس من الرصاص كتلته 0.05 kg من ارتفاع 1.5 m ، لتسخين الرصاص بمقدار 1.0 0C ؟
الجواب :
في كل مرة يتم رفع الحقيبة فإن طاقة الوضع :
ومنه فإن عدد المرات التي يجب إسقاط الكيس بها :
السؤال : . عندما تحرك كوبا من الشاي ، تبذل شغلا مقداره 0.05 J في كل مرة تحرك فيها الملعقة بصورة دائرية . كم مرة يجب ان تحرك الملعقة لترفع درجة حرارة كوب الشاي الذي كتلته 0.15 kg بمقدار 2.0 0C ؟ (بإهمال زجاج الكوب)
الجواب :
السؤال : كيف يمكن استخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية لشرح كيفية تخفيض درجة حرارة جسم ما ؟
الجواب :
من الممكن أن تكون قيمة التغير في U سالبة ، لأن
، لذا يبرد الجسم إذا كانت Q = 0 ويبذل الجسم شغلا بفعل التمدد على سبيل المثال . او تكون W=0 و Q سالبة فينقل الجسم الحرارة إلى المحيط . وستفي أي من هاتين الصيغتين بالغرض
السؤال : الحرارة الكامنة للتبخر يرسل النظام القديم للتدفئة بخارا داخل الأنابيب في كل غرفة من المنزل ، ويتكاثف هذا البخار في داخل المشعاع ليصبح ماء . حلل هذه العملية ، واشرح كيف تعمل على تدفئة الغرفة ؟
الجواب : يحرر البخار المتكاثف حرارة التبخر إلى داخل الغرفة .
السؤال : الحرارة الكامنة للتبخر ما مقدار الحرارة اللازمة لتحويل 50.0 g من الماء عند درجة حرارة 80.0 C إلى بخار عند درجة حرارة 110.0 C ؟
الجواب :
السؤال : . الحرارة الكامنة للتبخر ما مقدار الطاقة اللازمة لتسخين 1.0 kg من الزئبق عند درجة حرارة 10.0 C إلى درجة الغليان وتبخره كاملا ؟ علما بأن الحرارة النوعية للزئبق هي 140 J/kg.C ، والحرارة الكامنة لتبخره هي 3.06x105 J/kg ، ودرجة غليان الزئبق هي 357 C .
الجواب :
السؤال : الطاقة الميكانيكية و الطاقة الحرارية قاس جيمس جول الفرق في درجة حرارة الماء عند قمة شلال ماء وعند قاعه بدقة . فلماذا توقع وجود فرق ؟
الجواب : للماء عند قمة الشلال طاقة وضع جاذبية ، وتتحول بعض هذه الطاقة إلى طاقة حرارية عندما يصطدم الماء بالأرض عند قاع الشلال .
السؤال : الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية يستخدم رجل مطرقة كتلتها 320kg تتحرك بسرعة 5.0 m/s لتحطيم قالب رصاص كتلته 3.0 kg موضوع على صخرة كتلتها 3.0 kg موضوع على صخرة كتلتها 450 kg . وعندما قاس درجة حرارة القالب وجد أنها زادت 5.0 C . فسر ذلك .
الجواب :
يمتص قالب الرصاص جزءا من طاقة المطرقة الحركية . إن مقدار طاقة المطرقة يساوي
والتغير في طاقة القالب الحرارية يساوي
أي أن نصف طاقة المطرقة انتقلت إلى قالب الرصاص .
السؤال : الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية تتدفق مياه شلال يرتفع 125.0 m كما في الشكل 17-5 . احسب الفرق في درجة حرارة الماء بين قمة الشلال وقاعه إذا تحولت كل طاقة وضع الماء إلى طاقة حرارية .
الجواب :
السؤال : . الإنتروبي لماذا ينتج عن تدفئة المنزل بواسطة الغاز الطبيعي زيادة في كمية الفوضى أو العشوائية ؟
الجواب : يحرر الغاز حرارة عند درجة حرارة الاحتراق . حيث تتحطم الروابط بين جزيئات الغاز ، ثم تتحد الجزيئات بالأكسجين . و تتوزع الحرارة بطرائق جديدة عديدة ، ولا تعيد جزيئات الغاز الطبيعي تجمعها بسهولة وسرعة .
السؤال : التفكير الناقد إذا كان لديك أربع مجموعات من بطاقات فهرسة ، لكل مجموعة لون محدد . تحتوي كل مجموعة من 20 ورقة مرقمة . فإذا خلطت بطاقات هذه المجموعات معا عدة مرات فهل من المحتمل أن تعود البطاقات إلى ترتيبها الأصلي ؟ وضح ذلك . و ما القانون الفيزيائي الذي ينطبق عليه هذا المثال ؟
الجواب : لا ، هذا مثال على القانون الثاني في الديناميكا الحرارية والذي تزيد فيه الفوضى .
حل تقويم الفصل الخامس الطاقة الحرارية
السؤال : أكمل خريطة المفاهيم أدناه باستخدام المصطلحات الآتية: الحرارة، الشغل، الطاقة الداخلية.
الجواب :
إتقان المفاهيم
السؤال : وضح الاختلافات بين الطاقة الميكانيكية لكرة ما. وطاقتها الحرارية ، ودرجة حرارتها.
الجواب :إن الطاقة الميكانيكية هي مجموع طاقتي الوضع والحركة للكرة على اعتبار أنها كتلة واحدة . والطاقة الحرارية هي مجموع طاقتي الوضع والحركة للجسيمات المنفردة المكونة لكتلة الكرة . أما درجة الحرارة فهي قياس للطاقة الداخلية للكرة .
السؤال : .هل يمكن وجود درجة حرارة للفراغ؟ وضح ذلك.
الجواب : لا ، لا يوجد في الفراغ جسيمات ليكون لها طاقة .
السؤال : هل جميع الجزيئات أو الذرات في السائل لها السرعة نفسها؟
الجواب : لا ، يوجد توزيع لسرعات الذرات أو الجزيئات .
السؤال : . هل يعد جسم الإنسان مقياسا جيدا لدرجة الحرارة ؟ تشعر في يوم شتاء بارد، أن مقبض الباب المعدني أبرد من المقبض الخشبي. فسر ذلك .
الجواب : يقيس الجلد تدفق الحرارة منه أو إليه ، ويمتص مقبض الباب المعدني الحرارة من الجلد أسرع من الباب الخشبي ، لذا يبدو أبرد
السؤال : هل جميع الجزيئات أو الذرات في السائل لها السرعة نفسها؟
الجواب : لا ، يوجد توزيع لسرعات الذرات أو الجزيئات .
السؤال : عند تدفق الحرارة من جسم ساخن ملامس لجسم بارد، هل يحدث للجسمين التغير نفسه في درجات الحرارة ؟
الجواب : ستتغير درجات الحرارة للجسمين اعتمادا على كتلتيهما وعلى حرارتيهما النوعية . وليس بالضرورة أن يكون تغير درجة الحرارة هو نفسه لكل منهما .
السؤال : .هل تستطيع إضافة طاقة حرارية إلى جسم دون زيادة درجة حرارته ؟ فسر ذلك.
الجواب : عندما تصهر مادة صلبة أو عندما تغلي سائلا فإنك تضيف طاقة حرارية دون إحداث تغيير في درجة الحرارة .
السؤال : عندما يتجمد الشمع، هل يمتص طاقة أم يبعث طاقة؟
الجواب : عندما يتجمد الشمع تنبعث منه طاقة .
السؤال : فسر لماذا يبقى الماء في القربة المحاطة بقماش رطب بارداً أكثر من حالة عدم وجود القماش؟
الجواب : عندما يتبخر الماء داخل الغطاء القماشي في الهواء الجاف فإنه يمتص كمية طاقة تتناسب مع حرارة انصهاره . لذا تبرد القربة .
السؤال : أي العمليات تحدث في ملفات مكيف الهواء الموجودة داخل المنزل: التبخر أم التكاثف؟ وضح ذلك .
الجواب : يتبخر غاز التبريد داخل الملفات الموجودة داخل المنزل ، ليمتص الطاقة من الغلاف .
تطبيق المفاهيم
السؤال : الطبخ تطهو امرأة اللحم في قدر ماء يغلي. فهل ينضج اللحم أسرع عند غلي الماء بشدة أو غليه بهدوء (على نار هادئة)؟
الجواب : ينبغي ألا يكون هناك اختلاف ، فالماء في كلتا الحالتين له درجة الحرارة نفسها .
السؤال : أي السائلين يبرده مكعب من الثلج أسرع: الماء أم الميثانول؟ وضح ذلك.
الجواب : الميثانول ، لأن له حرارة نوعية أقل . يولد التغير في الزمن T أكبر لكتلة معينة وانتقال حرارة معينة ، حيث إن Q = mC(Tf-Ti)
السؤال : سُخنت كتلتان متساويتان من الألومنيوم والرصاص بحيث أصبحتا عند درجة الحرارة نفسها، ثم وضعت القطعتان على لوحين متماثلين من الجليد. أيهما يصهر جليدا أكثر؟ وضح ذلك.
الجواب : يصهر الألمنيوم جليدا أكبر ، لأن حرارته النوعية أكبر من الحرارة النوعية للرصاص .
السؤال : لماذا يشعر الشخص ببرودة السوائل السريعة التبخر على الجلد، ومنها الأسيتون والميثانول؟
الجواب : لأنهما يمتصان حرارة التبخر من الجلد عند تبخرهما .
السؤال : أسقط قالبان من الرصاص لهما درجة الحرارة نفسها في كأسين متماثلين من الماء متساويتين في درجة الحرارة. فإذا كانت كتلة القالب A ضعف كتلة القالب B ، فهل يكون لكأسي الماء درجات الحرارة نفسها بعد الوصول إلى حالة الاتزان الحراري؟ وضح ذلك.
الجواب : ستكون الكأس ذات القالب A أسخن ، لأن القالب A يحتوي طاقة حرارية أكثر .
السؤال : ما مقدار الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 50.0 g من الماء من درجة حرارة 4.5 C إلى درجة حرارة 83.0 C ؟
الجواب :
السؤال : يمتص قالب من المعدن كتلته 5.0×102 g كمية من الحرارة مقدارها 5016 J عندما تتغير درجة حرارته من 20.0 C إلى 30.0 C . احسب الحرارة النوعية للمعدن.
الجواب :
السؤال : وضعت كتلة من التنجستن مقدارها 1.00×10 2g ، ودرجة حرارتها 100.0 C في 2.00×10 2g من الماء عند درجة 20.0 C . احسب الحرارة النوعية للتنجستن.
الجواب :
السؤال : خلطت عينة كتلتها 6.0×102 g من الماء عند درجة 90.0 C بعينة ماء كتلتها 4.0×102 g عند 22.0 C . فإذا افترضت عدم فقدان أي حرارة للمحيط، فما درجة الحرارة النهائية للخليط؟
الجواب :
السؤال : . وضعت قطعة خارصين في وعاء ماء كما في الشكل 5-18 . فإذا كانت كتلة القطعة 10.0 kg ، ودرجة حرارتها 71.0 C ،وكتلة الماء 20.0 kg، ودرجة حرارته قبل إضافة القطعة 10.0 C ، فما درجة الحرارة النهائية للماء والخارصين؟
الجواب :
السؤال : إن الطاقة الحركية لسيارة صغيرة تتحرك بسرعة 100 km/h هي 2.9×105 J . لتكون انطباعا جيدا عن مفهوم الطاقة، احسب حجم الماء (باللتر) الذي ترتفع حرارته من درجة حرارة الغرفة (20.0 C) إلى درجة الغليان (100.0 C) إذا اكتسب طاقة مقدارها 2.9×105J .
الجواب :
السؤال : سخان الماء يستخدم سخان ماء قدرته 3.0×102w لتسخين قدح ماء كما في الشكل 5-19 . ما مقدار الزمن اللازم لجعل الماء يغلي ، إذا كان القدح مصنوعا من الزجاج وكتلته 3.0×102g ويحتوي 250g من الماء عند 15C ؟ افرض أن درجة حرارة القدح مساوية لدرجة حرارة الماء، وأنه لن يفقد الحرارة إلى الهواء.
الجواب :
السؤال : محرك السيارة يحتوي محرك سيارة حديد كتلته 2.50×102 kg كما يحتوي على ماء للتبريد. افتراض أن درجة حرارة المحرك لحظة توقفه عن العمل 35.0 C ، ودرجة حرارة الهواء 10.0 C . فما مقدار كتلة الماء المستخدمة لتبريد المحرك ، إذا كانت الحرارة الناتجة عن المحرك والماء داخله عندما يبردان ليصلا إلى درجة حرارة الهواء هي 4.40×106 J ؟
الجواب :
السؤال : كانت إحدى طرائق التبريد قديما تقتضي استخدام قالب من الجليد كتلته 20.0 kg يوميا في صندوق الجليد المنزلي . وكانت درجة حرارة الجليد 0.0 C عند استلامه. فما مقدار الحرارة التي يمتصها القالب في أثناء انصهاره؟
الجواب :
السؤال : كُثفت عينة من الكلوروفورم كتلتها 40.0 g من بخار عند درجة .6 C 61إلى سائل عند درجة 61.6 C ، فانبعثت حرارة مقدارها 9870 J . ما الحرارة الكامنة لتبخر الكلوروفورم؟
الجواب :
السؤال : تحركت سيارة كتلتها 750kg بسرعة 23m/s ثم توقفت بالضغط على المكابح. فإذا احتوت المكابح على 15kg من الحديد الذي يمتص الحرارة. فما مقدار الزيادة في درجة حرارة المكابح؟
الجواب :
السؤال : ما مقدار الحرارة المضافة إلى كتلة 10.0 g من الجليد عند درجة 20.0 C – لتحويلها إلى بخار ماء عند درجة 120.0 C ؟
الجواب :
كمية الحرارة اللازمة لتسخين الجليد لدرجة حرارة 0.0 C :
كمية الحرارة اللازمة لإذابة الجليد :
كمية الحرارة اللازمة لتسخين الماء لدرجة حرارة 100 C :
كمية الحرارة اللازمة لغليان الماء :
كمية الحرارة اللازمة لتسخين البخار لدرجة حرارة 120 C :
كمية الحرارة الكلية :
السؤال : تتحرك قذيفة من الرصاص كتلتها 4.2g بسرعة 275m/s فتصطدم بصفيحة فولاذية وتتوقف ، فإذا تحولت طاقتها الحركية كلها إلى طاقة حرارية دون فقدان أي شيء منها ، فما مقدار التغير في درجة حرارتها؟
افترض أن الحرارة كلها بقيت في الرصاصة وأن مادتها هي الرصاص
الجواب :
السؤال : ينتج كل 100 mL من مشروب خفيف طاقة مقدارها 1.7kJ ، فإذا كانت العلبة منه تحتوي على 375 ml ، وشربت فتاة العلبة وأرادت أن تفقد مقدار ما شربته من الطاقة من خلال صعود درجات سلم، فما مقدار الارتفاع الذي ينبغي أن تصعد إليه الفتاة إذا كانت كتلتها 65.0 kg ؟
الجواب :
اكتسبت الفتاة طاقة تساوي :
مقدار الارتفاع الذي ينبغي أن تصعد إليه الفتاة يساوي :
السؤال : ما كفاءة المحرك الذي ينتج 2200J/s عندما يحرق من البنزين ما يكفي لإنتاج 5300J/s ؟ وما مقدار الحرارة الضائعة التي ينتجها المحرك كل ثانية ؟
الجواب :
السؤال : مكبس أختام تبذل آلة أختام معدنية في مصنع 2100J من الشغل في كل مرة تختم فيها قطعة معدنية . ثم تغمس كل قطعة مختومة في حوض يحتوي 32.0 kg من الماء للتبريد . فما مقدار الزيادة في درجات حرارة الحوض في كل مرة تغمس فيها قطعة معدنية مختومة؟
الجواب :
السؤال : تحركت سيارة كتلتها 1500 kg بسرعة 25 m/s ، ثم توقفت تماما عن الحركة بعد ضغط سائقها على المكابح. ما مقدار التغير في درجة حرارة المكابح إذا أودعت كامل طاقة السيارة في المكابح المصنوعة من الألومنيوم والتي كتلتها 45kg ؟
الجواب :
تغير الطاقة في السيارة :
إذا تم نقل كل هذه الطاقة فإن :
السؤال : الشاي المثلج لتصنع الشاي المثلج تمزجه بالماء الساخن، ثم تضيف إليه الجليد. فإذا بدأت بمقدار 1.0 L من الشاي عند درجة 90C ، فما أقل كمية من الجليد يتطلبها تبريده إلى درجة 0.0C ؟ وهل الأفضل ترك الشاي يبرد درجة حرارة الغرفة قبل إضافة الجليد إليه؟
الجواب :
الحرارة المفقودة :
كمية الجليد المذاب :
لذلك تحتاج إلى جليد أكثر قليلا من الشاي ولكن هذه النسبة ستقلل من تركيز الشاي لذلك اترك الشاي يبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل إضافة الجليد .
السؤال : وضع قالب من النحاس عند 100.0C ملامسا قالبا من الألومنيوم عند 20.0C ، كما في الشكل 5-20 . ما الكتل النسبية للقالبين إذا كانت درجة الحرارة النهائية لهما 60.0C ؟
الجواب :
قالب النحاس كتلة أكبر 2.3 مرة من كتلة قالب الألمنيوم
السؤال : ينزلق قالب من النحاس كتلته 0.53kg على سطح الأرض، ويصطدم بقالب مماثل يتحرك في الاتجاه المعاكس بمقدار السرعة نفسه. فإذا توقف القالبان بعد الاصطدام، وازدادت درجة حرارتهما بمقدار 0.20C نتيجة التصادم، فما مقدار سرعتيهما قبل الاصطدام؟
الجواب :
التغير في الطاقة الداخلية للكتل هو
السؤال : ينزلق قالب من الجليد كتلته 2.2kg على سطح خشن . فإذا كانت سرعته الابتدائية 2.5m/s وسرعته النهائية 0.5m/s ، فما مقدار ما ينصهر من قالب الجليد نتيجة للشغل المبذول بفعل الاحتكاك ؟
الجواب :
لذلك، يضاف 6.6 J إلى الجليد. يتم إعطاء كمية من ذاب الجليد :
السؤال : حلل ثم استنتج ينتزع محرك حراري معين 50.0J من الطاقة الحرارية من مستودع حار عند درجة حرارة TH=545K ، ويبعث 40.0J من الحرارة إلى مستودع بارد عند درجة حرارة TL=325K . كما يعمل على نقل الإنتروبي من مستودع إلى آخر أيضا خلال العملية.
a. كيف يعمل المحرك على تغير الإنتروبي الكلي للمستودعين؟
b. ماذا سيكون تغير الإنتروبي الكلي في المستودعين إذا كانت TL=205K ؟
الجواب :
a.
b.
ازداد التغير الكلي في الانتروبي في المستودعات وفي الكون تقريبا بمعامل يساوي 3
السؤال : حلل ثم استنتج تزداد عمليات الأيض للاعبي كرة القدم خلال اللعبة بمقدار 30.0W . ما مقدار العرق الذي يجب أن يتبخر من اللاعب كل ساعة ليبدد هذه الطاقة الحرارية الإضافية؟
الجواب :
كمية الطاقة الحرارية التي تبدد في 1.00 h :
كمية العرق الذي يجب أن يتبخر :
السؤال : حلل ثم استنتج يستخدم الكيميائيون المسعر لقياس الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية. فعلى سبيل المثال، يذيب كيميائي 1.0×1022 جزيئا من مسحوق مادة في مسعر يحتوي 0.5 kg من الماء، فتتحطم الجزيئات وتتحرر طاقة ربطها ليمتصها الماء، فتزداد درجة حرارة الماء إلى 2.3 C . ما مقدار طاقة الربط لكل جزيء مع هذه المادة؟
الجواب :
كمية الطاقة المضافة إلى الماء :
وبالتالي فإن الطاقة لكل جزيء :
السؤال : تطبيق المفاهيم تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض. حيث تكون درجة حرارة سطح الشمس k 104 تقريبا. ماذا يحدث للعالم لو كانت درجة حرارة سطح الشمسk 103 ؟
الجواب : سيتغير متوسط درجات الحرارة على الأرض وبالتالي أنماط الطقس وأصناف النباتات وأنواع الحيوانات المنقرضة .
السؤال : لقد تأثر فهمنا للعلاقة بين الحرارة والطاقة بأعمال بنجامين ثومسون، وكونت رمفورد ، وجيمس جول. حيث اعتمدوا على النتائج التجريبية لتطوير أفكارهم. تحقق من التجارب التي قاموا بها، وقدر هل من الإنصاف تسمية وحدة الطاقة بالجول بدلاٌ من ثومسون؟
الجواب :
كان الاعتقاد في عام 1799م أن الحرارة سائل يتدفق من جسم إلى آخر . واعتقد كونت رمفود أن الحرارة تحدث بسبب حركة الجزيئات في المعدن . ولم تلاق أفكاره قبولا واسعا ، إذ لم يجر أي قياسات كمية . في حين أجرى جول في عام 1843 م قياسات دقيقة ، فقاس التغير في درجة الحرارة الذي يسببه إضافة حرارة أو بذل شغل على كمية من الماء . وأثبت أن الحرارة صفة مميزة للطاقة وأن الطاقة محفوظة . فاستحق جول أن ينسب له الفضل وتسمى الوحدة باسمه
السؤال : للماء حرارة نوعية كبيرة غير عادية، كما أن كلا من الحرارة الكامنة لانصهاره وتبخره عالية. ويعتمد الطقس على الماء في حالاته الثلاث. ترى كيف يكون العالم إذا كانت خصائص الماء الحرارية مثل خصائص المواد الأخرى كالميثانول مثلا؟
الجواب :
إن الحرارة النوعية الكبيرة وحرارتي الانصهار والتبخر الكبيرتين تعني أن الماء في حالاته الثلاث – الماء والجليد وبخار الماء – يمكنه أن يخزن كمية كبيرة من الطاقة الحرارية دون أن يحدث تغيير كبير في درجات حرارته . وآثار ذلك كثيرة . فالمحيطات والبحيرات الكبيرة تلطف من تغيرات درجة الحرارة في المناطق المجاورة على نحو يومي وموسمي . ويكون التغير في درجة الحرارة بين النهار والليل بالقرب من البحيرة أقل كثيرا من التغير في درجة الحرارة في الصحراء بين الليل والنهار . وحد حرارة الانصهار الكبيرة للماء من تغير المواسم في القطبين الشمالي والجنوبي ، إذ يمتص الماء الطاقة عندما يتجمد الماء في الخريف ويحرر الطاقة في الربيع مما يبطئ تغيرات درجة الحرارة في الغلاف الجوي ، كما يمتص الماء ويخزن الكثير من الطاقة عند تبخره ، وهذه الطاقة الحرارية هي التي تؤدي إلى تغيرات الطقس المتطرفة مثل العواصف الرعدية والأعاصير .
السؤال : ترفع رافعة كتلة مقدارها 180 kg إلى ارتفاع 1.95 m . ما مقدار الشغل الذي تبذله الرافعة لرفع الكتلة؟
الجواب :
السؤال : في عرض للقوة طلب إلى مجموعة من الجنود الأشداء دحرجة صخور كتلة كل منها 215 kg إلى أعلى تل ارتفاعه 33 m ، فإذا كان بإمكان أحد المشاركين توليد قدرة متوسطها 0.2 kw ، فكم صخرة خلال 1 h يستطيع أن يدحرج إلى أعلى التل؟
الجواب :
كمية الشغل اللازمة لاكمال لفة واحدة :
في ساعة واحدة كمية الشغل تساوي :
عدد الصخور التي يستطيع أحد المشاركين دحرجتها خلال ساعة واحدة :
عشر صخور في ساعة واحدة
حل اختبار مقنن الفصل الخامس الطاقة الحرارية
أسئلة اختيار من متعدد
اختر رمز الإجابة الصحيحة فيما يلي :
السؤال : أي تحويلات درجات الحرارة التالية غير صحيح ؟
a. -273 C = 0 k
b. 273 C = 546 k
c. 298 k =571 C
d. 88 k = -185 C
الجواب الصحيح هو : C
طريقة الحل :
a.
b.
c.
d.
السؤال : ما وحدات الانتروبي ؟
a. J/K
b. K/J
c. J
d. KJ
الجواب الصحيح هو : A
السؤال : . أي العبارات الاتية المتعلقة بالاتزان الحراري غير صحيح ؟
a. عندما يكون جسمان في حالة اتزان فإن الإشعاع الحراري بين الجسمين يستمر في الحدوث .
b. يستخدم الاتزان الحراري في توليد الطاقة في المحرك الحراري
c. يستخدم مبدأ الاتزان الحراري في الحسابات المسعرية .
d. عندما لا يكون جسمان في حالة اتزان فإن الحرارة ستتدفق من الجسم الساخن إلى الجسم الابرد منه .
الجواب الصحيح : b. يستخدم الاتزان الحراري في توليد الطاقة في المحرك الحراري
السؤال : ما كمية الحرارة اللازمة لتسخين 87g من الميثانول المتجمد عند 14 k إلى بخار عند 340 k ؟ ( درجة انصهاره -97.6 C ، درجة غليانه 64.6 C ، افترض ان الحرارة النوعية للميثانول ثابتة في جميع حالاته ) .
a. 17 KJ
b. 69 KJ
c. 1.4 x 102 KJ
d. 1.5 x 102 KJ
الجواب الصحيح : b. 69 KJ
طريقة الحل :
السؤال : أي العبارات الاتية المتعلقة بالطاقة والإنتروبي وتغيرات الحالة صحيح ؟
a. يزيد تجميد الماء من طاقته حيث يكتسب ترتيبا جزيئيا باعتباره تحول إلى مادة صلبة .
b. كلما كانت السعة الحرارية النوعية للمادة أكبر زادت درجة حرارة انصهارها .
c. حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي اكبر
d. لا يمكن أن تزداد الطاقة والإنتروبي في الوقت نفسه .
الجواب الصحيح : c. حالات المادة ذات الطاقة الحركية الأكبر يكون لها إنتروبي اكبر
السؤال : ما مقدار الحرارة اللازمة لتدفئة 363 ml من الماء في زجاجة أطفال من 24 C إلى 38 C ؟
a. 21 KJ
b. 36 KJ
c. 121 KJ
d. 820 KJ
الجواب الصحيح : a. 21 KJ
طريقة الحل :
السؤال : تكون هناك دائما كمية حرارة مفقودة في المحرك الحراري ، لأن :
a. الحرارة لا تنتقل من الجسم البارد إلى الجسم الساخن .
b. الاحتكاك يعمل على إبطاء المحرك
c. الإنتروبي يزداد في كل مرحلة .
d. مضخة الحرارة تستخدم طاقة .
الجواب الصحيح : c. الإنتروبي يزداد في كل مرحلة .
السؤال : ما مقدار الحرارة اللازمة لصهر 81 g من الجليد عند درجة 0.0 C في دورق ويسخن إلى 10 C ؟
a. 0.34 kJ
b. 27 KJ
c. 30 KJ
d. 190 KJ
الجواب الصحيح : c. 30 KJ
طريقة الحل :
السؤال : إذا بذلت 0.050 J من الشغل على القهوة في الفنجان في كل مرة تحركها ، فما مقدار الزيادة في الإنتروبي في 125 ml من القهوة عند درجة 65 C عندما تحركها 85 مرة ؟
الجواب الصحيح : A
ولإيجاد الطاقة الحرارية الكلية :
معدل التغير في الانتروبي :
السؤال : ما الفرق بين الحرارة اللازمة لصهر 454 g من الجليد عند 0.0 C ، والحرارة اللازمة لتحويل 454g من الماء عند 100 C إلى بخار ؟ وهل مقدار الفرق اكبر أم اقل من كمية الطاقة اللازمة لتسخين 454 g من الماء عند 0.0C إلى 100.0 C ؟
الجواب : للصهر : 152 KJ ، للتبخر : 1030 KJ ، يتطلب التحويل إلى بخار طاقة أكبر بمقدار 878 KJ ، للتسخين : 190 KJ ، إن الفرق في الطاقة بين الحالتين اكبر من الطاقة التي يتطلبها تسخين الماء في الحالة السائلة .
