تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية

 

تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية

58. كانت إحدى طرائق التبريد قديماً تقتضي استخدام لوح من الجليد كتلته 20.0 kg يومياً في صندوق الجليد المنزلي. وكانت درجة حرارة الجليد 0.0 ˚C عند استلامه. فما مقدار الحرارة التي يمتصها القالب في أثناء انصهاره؟  6.68x106 J

.59 كثفت عينة من الكلوروفورم كتلتها 40.0 g من بخار عند درجة 61.6 ˚C إلى سائل عند درجة 61.60 ˚C, فانبعثي حرارة بمقدار 9870 j, ما الحرارة الكامنة لتبخر الكلوروفورم؟   2.47x105 J/kg

.60 تحركت سيارة كتلتها 750 kg بسرعة 23 m/s ثم توقفت بالضغط على المكابح. فإذا احتوت المكابح على 15 kg من الحديد الذي يمتص الحرارة. فما مقدار الزيادة في درجة حرارة المكابح؟   29˚C

.61 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؟  3.09x104 J

.62 تتحرك رصاصة كتلتها 4.2 g بسرعة 275 m/s فتصطدم بصفيحة فولاذية وتتوقف, فإذا تحولت طاقتها الحركية كلها إلى طاقة حرارية دون فقدان أي شيء منها, فما مقدار التغير في درجة حرارتها؟  290 ˚C

.63 ينتج كل 100 mL من مشروب خفيف طاقة مقدارها 1.7 kj, 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؟  10 m

مراجعة عامة

.64 ما كفاءة المحرك الذي ينتج 2200 j/s عندما يحرق من البنزين ما يكفي لإنتاج 5300 j/s؟ وما مقدار الحرارة الضائعة التي ينتجها المحرك كل ثانية؟ 

 3100 J , 42%

.65 مكبس أختام تبذل آلة أختام معدنية في مصنع 2100 j من الشغل في كل مرة تختم فيها قطعة معدنية. ثم تغمس كل قطعة مختومة في حوض يحتوي 32.0 kg من الماء للتبريد. فمل مقدار الزيادة في درجات حرارة الحوض في كل مرة تغمس فيها قطعة معدنية مختومة؟   0.016 ˚C

66. تحركت سيارة كتلتها 1500 kg بسرعة 25 m/s, ثم توقفت تماماً عن الحركة بعد ضغط سائقها على الكوابح. ما مقدار التغير في درجة حرارة الكوابح إذا أودعت كامل طاقة السيارة في الكوابح المصنوعة من الألمونيوم والتي كتلتها 45kg؟12 ˚C

.67 الشاي المثلج لتصنع الشاي المثلج تمزجه بالماء الساخن, ثم تضيف إلية الجليد. فإذا بدأت بمقدار 1.0 L من الشاي عند درجة 0 ˚C؟ وهل من الأفضل ترك الشاي يبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل إضافة الجليد إليه؟

1.1 kg ، لذلك تحتاج إلي جليد أكثر قليلا من الشاي ولكن هذه النسبة ستقلل من تركيز الشاي لذلك اترك الشاي يبرد إلي درجة حرارة الغرفة قبل إضافة الجليد

.68 وضع قالب من النحاس عند درجة 100.0 ˚C ملامساً قالباً من الألمونيوم عند 20.0 ˚C, كما في الشكل 5-20. ما الكتل النسبية للقالبين إذا كانت درجة الحرارة النهائية لهما 60.0 ˚C؟

لقالب النحاس كتلة اكبر 2.3 مرة من كتلة قالب الالومنيوم

.69 ينزلق قالب من النحاس كتلته 0.53 kg على سطح الأرض, ويصطدم بقالب مماثل يتحرك في الاتجاه المعاكس بمقدار السرعة نفسه. فإذا توقف القالبان بعد الاصطدام, وازدادت درجة حرارتهما بمقدار0.20 ˚C  نتيجة التصادم. فما مقدار سرعتيهما قبل الاصطدام؟ 12 m/s 

.70 ينزلق قالب من الحديد كتلته 2.2 kg على سطح خشن. فإذا كانت سرعته الابتدائية 2.5 m/s وسرعته النهائية 0.5 m/s, فما مقدار ما ينصهر من قالب الجليد نتيجة للشغل المبذول بفعل الاحتكاك؟  2x10-5 kg

التفكير الناقد

.71 حلل ثم استنتج ينتزع محرك حراري معين 50.0 j من الطاقة الحرارية من مستودع حار عند درجة حرارة TH = 545 k, ويبعث 40.0 j من الحرارة إلى مستودع بارد عند درجة حرارة TL = 325 k . كما يعمل على نقل الإنتروبي من مستودع إلى آخر أيضاً خلال العملية.

.a كيف يعمل المحرك على تغيير الإنتروبي الكلي للمستودعين؟  0.313 J/K

.b ماذا سيكون تغير الإنتروبي الكلي في المستودعات إذا كانت TL = 205 k؟ 0.103 J/K  

ازداد التغير الكلي في الانتروبي في المستودعات وفي الكون تقريبا بمعامل يساوي 3

72. حلل ثم استنتج تزداد عمليات الأيض للاعبي كرة القدم خلال اللعبة بمقدار 30.0 W. ما مقدار العرق الذي يجب أن يتبخر من اللاعب كل ساعة ليبدد هذه الطاقة الحرارية الإضافية؟ 0.0478 kg

.73 حلل ثم استنتج يستخدم الكيميائيون المسعر لقياس الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية. فعلى سبيل المثال, يذيب كيميائي جزيئاً من مسحوق مادة في مسعر يحتوي 0.5 kg من الماء, فتتحطم الجزيئات وتتحرر طاقة ربطها مع الماء, فتزداد درجة حرارة الماء إلى 2.3 ˚C. ما مقدار طاقة الربط لكل جزئ مع هذه المادة؟ 4.8x10-19 J لكل جزيء

.74 تطبيق المفاهيم تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض. حيث تكون درجة حرارة سطح الشمس104 k تقريباً. ماذا يحدث للعالم لو كانت درجة حرارة سطح الشمس 103 k؟

تختلف الإجابات من طالب لآخر وتكون حول تغير متوسط درجات الحرارة على الأرض وأنماط الطقس المختلفة وأصناف النباتات وأنواع الحيوانات المنقرضة

الكتابة في الفيزياء

.75 لقد تأثر فهمنا للعلاقة بين الحرارة والطاقة لأعمال 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 بدلاً من ثومسون؟

كان الاعتقاد أن الحرارة سائل يتدفق من جسم إلي أخر واعتقد كونت رمفورد أن الحرارة تحدث بسبب حركة الجزيئات في المعدن ولم تلق أفكاره قبولا واسعا في حين اجري جول قياسات دقيقة فقاس التغير في درجة الحرارة الذي يسببه إضافة حرارة أو بذل شغل على كمية من الماء واثبت أن الحرارة صفة مميزة للطاقة وان الطاقة محفوظة فاستحق جو لان ينسب له الفضل وتسمي الوحدة باسمه

.76 للماء حرارة نوعية كبيرة غير عادية, كما أن كلاً من الحرارة الكامنة لانصهاره وتبخره عالية. ويعتمد الطقس على الماء في حالاته الثلاث. تُرى كيف يكون العالم إذا كانت خصائص الماء الحرارية مثل خصائص المواد الأخرى كالميثانول مثلاً؟

إن الحرارة النوعية الكبيرة وحرارتي الانصهار والتبخر الكبيرتين تعني أن الماء في حالاته الثلاث يمكنه أن يخزن كمية كبيرة من الطاقة الحرارية دون أن يحدث تغيير كبير في درجات حرارته وهذا له تأثيرات كثيرة

مراجعة تراكمية

.77 ترفع رافعة أوزاناً مقدار كتلها 180 kg إلى ارتفاع 1.95 m. ما مقدار الشغل الذي تبذله الرافعة لرفع الكتلة؟

3400 J

.78 في عرض للقوة طُلب مجموعة إلى مجموعة من الجنود الأشداء دحرجة صخور كتلة كل منها 215 kg إلى أعلى تل ارتفاعه 33 m, فإذا كان بإمكان أحد المشاركين توليد متوسط القدرة 0.2 kW, فكم صخرة خلال 1 h يستطيع أن يدحرج إلى أعلى التل؟  عشرة صخور في ساعة واحدة

اختبار مقنن

أسئلة اختيار من متعدد

اختر رمز الإجابة الصحيحة فيما يلي:

.1 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

C

.2 ما وحدات الإنتروبي؟

A. j/k

B. k/j

C. j

D. kj

A

.3 أي العبارات الآتية, والمتعلقة بالاتزان الحراري غير صحيحة؟

A. عندما يكون جسمان في حالة اتزان فإن الإشعاع الحراري بين الجسمين يستمر في الحدوث.

B. يستخدم الاتزان الحراري في صنع 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 الأبرد منه.

B

4. ما كمية الحرارة اللازمة لتسخين 87 g من الميثانول المتجمد عند 14 k إلى بخار عند 340 k؟ (درجة انصهاره = -97.6 ˚C, درجة غليانه = 64.6 ˚C).

A. 17 kj

B. 69 kj

C. 1.4 × 102 kj

D. 1.5 × 102 kj

D

5. أي العبارات التالية المتعلقة بالطاقة والإنتروبي وتغيرات الحالة صحيحة؟

A. يزيد تجميد الماء من طاقته حيث يكتسب ترتيباً جزيئياً 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 أكبر.

D. لا يمكن أن تزداد الطاقة والإنتروبي في الوقت نفسه.

C

.6 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

A

.7 تكون هناك دائماً كمية من الحرارة المفقودة 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.

C

.8 ما مقدار الحرارة الممتصة عندما ينصهر 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

C

9. 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؟

A. 0.013 j/k

B. 0.050 j

C. 0.095 j/k

D. 4.2 j

A

الأسئلة الممتدة

.10 ما الفرق بين الحرارة اللازمة لصهر 454 g من الجليد عند 0.0 ˚C, والحرارة اللازمة لتحويل 454 g من الماء عند 100 ˚C إلى بخار؟ وهل مقدار الفرق أكبر أم أقل من كمية الطاقة اللازمة لتسخين 454 g من الماء عند 0.00 ˚C  إلى 100.0 ˚C؟

للصهر=152 kJ وللتبخير=1030 kJ

يتطلب التحويل إلي بخار طاقة اكبر بمقدار 878kJ

وللتسخين=190 kJ

إن الفرق في الطاقة بين الحالتين اكبر من الطاقة التي يتطلبها تسخين الماء في الحالة السائلة

الكتابة في الفيزياء

.94 الشمس مصدر طاقة في أي شكل من أشكال الطاقة تصل إلينا الطاقة الشمسية لتجعلنا نحيا وتعمل مجتمعنا يعمل؟

ابحث في الطرائق التي تتحول بها الطاقة الشمسية إلى أشكال يمكن لنا استخدامها. وأين تذهب الطاقة الشمسية بعد أن نستخدمها؟ وضح ذلك.

تمتص الطاقة الشمسية على شكل طاقة حرارية تحول النباتات جزءا من الإشعاع المرئي إلي طاقة كيميائية ويشع جزء من الطاقة عائدا إلي الفضاء

.95 تصنف جميع أشكال الطاقة إلى طاقة حركية أو طاقة وضع. فكيف تصف كلاً من الطاقة النووية, والكهربائية والكيميائية والبيولوجية والشمسية والضوئية؟ ولماذا؟ ابحث في الأجسام المتحركة في كل شكل من أشكال الطاقة هذه, وكيف تختزن الطاقة في هذه الأجسام؟

تتحرر طاقة الوضع عن طريق الانشطار أو الاندماج النووي تتحرر طاقة الوضع الكيميائية عندما تتكسر الجزيئات أو يتم إعادة ترتيبها يولد فصل الشحنات الكهربائية طاقة وضع كهربائية تتحول إلي طاقة حركية الطاقة الشمسية هي طاقة اندماج نووي تتحول إلي إشعاع كهرومغناطيسي

المراجعة التراكمية

.96 تنطلق رصاصة كتلتها 5.00 g بسرعة 100.0 m/s في اتجاه جسم صلب كتلته 10.0 kg مستقر على سطح مستو عديم الاحتكاك.

.a ما مقدار التغير في زخم الرصاصة إذا استقرت داخل الجسم الصلب؟  -0.5 kg.m/s

.b ما مقدار التغير في زخم الرصاصة إذا ارتدت في الاتجاه المعاكس بسرعة 99 m/s؟  -0.995 kg.m/s

.c في أي الحالتين السابقتين سيتحرك الجسم بسرعة أكبر؟

عندما ترتد الرصاصة

.97 يجب التأثير بقوة رفع مقدارها 15 kN على الأقل لرفع سيارة.

.a ما مقدار الفائدة الميكانيكية للرافعة القادرة على تقليص القوة (المسلطة) إلى 0.10 kN؟  150

.b إذا كانت فاعلية الرافعة 75 %,فما للمسافة التي يجب أن تؤثر خلالها القوة لترفع السيارة مسافة 33 cm؟  66 m

اختبار مقنن

أسئلة الاختيار من متعدد

اختر رمز الإجابة الصحيحة فيما يلي:

1. زادت سرعة دراجة هوائية من 4.0 m/s إلى 6.0 m/s. فإذا كانت كتلة راكب الدراجة والدراجة 55 kg, فما الشغل الذي بذله سائق الدراجة لزيادة سرعتها؟

.A 11 j

B. 28 j

C. 55 j

D. 550 j

D

.2 يبين الشكل أدناه كرة معلقة بخيط, تتأرجح بشكل حر في مستوى محدد. فإذا كانت كتلة الكرة 4.0 kg ومقاومة الهواء مهملة فما أقصى سرعة تبلغها الكرة أثناء تأرجحها؟

.A 0.14 m/s

B. 98 m/s

.C 7.0 m/s

.D 49 m/s

C

3. عندما ترفع صندوقاً كتلته 4.5 kg من الأرض إلى رف يرتفع 1.5 m فوق سطح الأرض فما مقدار الطاقة التي استخدمتها في رفع الصندوق؟

A. 9.0 j

B. 49 j

C. 11 j

D. 66 j

D

4. إذا أسقطت كرة كتلتها 6.0 × 10-2 kg من ارتفاع 1.0 m فوق سطح مستو صلب, وعندما ضربت الكرة بالسطح فقدت 0.14 j من طاقتها, ثم ارتدت مباشرة إلى أعلى, فما مقدار الطاقة الحركية للكرة لحظة ارتدادها عن السطح المستوي؟

A. 0.20 j

B. 0.59 j

C. 0.45 j

D. 0.73 j

C

5. عند رفع جسم كتلته 2.5 kg من رف يرتفع 1.2 m عن سطح الأرض إلى رف يرتفع 2.6 m فوق سطح الأرض, فما مقدار التغير في طاقة وضع الجسم؟

A. 1.4 j

B. 25 j

C. 3.5 j

D. 34 j

D

6. تتحرك كرة كتلتها m بسرعة v1 على سطح أفقي عندما ارتطمت بحائط مبطن, ثم ارتدت عنه في الاتجاه المعاكس. فإذا أصبحت طاقتها الحركية نصف ما كانت عليه قبل التصادم, وأهملنا الاحتكاك, فأي مما يلي يعبر عن سرعة الكرة بعد التصادم بدلالة سرعتها قبل التصادم؟

A. 1/2 v1

B. v1 √2/2

C. √2v

D. 2 v1

B

.7 يبين الشكل أدناه كرة على مسار منحن, فإذا تحركت الكرة بدءاً من السكون في أعلى المسار ووصلت إلى السطح الأفقي في أسفله على الأرض بسرعة 14 m/s, وأهملنا الاحتكاك, فما الارتفاع h من سطح الأرض حتى أعلى نقطة في المسار؟

A. 7 m

B. 14 m

C. 10 m

D. 20 m

C

الأسئلة الممتدة

.8 وضع صندوق على نابض مضغوط على منصة, وعند إفلات النابض زود الصندوق بطاقة مقدارها 4.9 j, فاندفع الصندوق رأسياً إلى أعلى, فإذا كانت كتلة الصندوق 1.0 kg, فما أقصى ارتفاع يصل إليه الصندوق قبل أن يبدأ في السقوط؟  0.5 m