درجة الحرارة والطاقة الحرارية

الطاقة الحرارية

درجة الحرارة والطاقة الحرارية

مسائل تدريبية

.1 حوّل درجات الحرارة الآتية من مقياس كلفن إلى مقياس سلسيوس.

115 k .a   -158˚ C

.b  172 k   -101˚ C

.c  125 k  -148˚ C

.d 402 k 129˚ C

.e 425 k  152˚ C

.f 212 k  -61˚ C

.2 جد درجات الحرارة بالكلفن والسلسيوس لكل مما يأتي:

.a درجة حرارة الغرفة. درجة حرارة الغرفة حوالي 72˚ F أو 22˚ C أو 295 K

.b ثلاجة نموذجية  درجة حرارة الثلاجة حوالي 4˚ C أو 277 K

.c يوم صيفي حار في مدينة الرياض.  درجة حرارة اليوم حوالي 118.4˚ F أو 48˚ C أو 321 K

.d إحدى ليالي الشتاء في مدينة تبوك.   درجة حرارة ليلة الشتاء حوالي 8˚ C أو 281 K

مسائل تدريبية

.3 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˚ C  إلى 80.0˚ C؟   5.3x104 J

.4 يحتوي نظام التبريد لسيارة على 20.0 L من الماء, علماً 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؟  10 K

.b إذا كان الفصل شتاءً, ونظام التبريد في السيارة مملوءاً بالميثانول ذي الكثافة 30.80 g/cm3 فمل مقدار الزيادة في درجة حرارة الميثانول إذا امتص 836.0 kj من الحرارة؟  21 k

.c أيهما يعد مبرداً أفضل, الماء أم الميثانول؟ فسر إجابتك.

الماء هو المبرد الأفضل عند درجات حرارة اعلي من 0C لأنه يستطيع أن يمتص الحرارة دون أن يتغير درجة حرارته كثيرا على عكس الميثانول

.5 تبيع شركات الكهرباء الطاقة الكهربائية بوحدة kWh, حيث إن  3.6 × 106 j= 1kWh. افترض أن السعر 0.15 ريال لكل kWh. فما مقدار تسخين 75 kg من الماء من درجة الحرارة 15˚ C إلى 43˚ C؟  0.36 ريال

مسائل تدريبية

.6 خلطت عينة ماء كتلتها 2.00 × 102 g ودرجة حرارتها 80.0 ˚C مع عينة ماء كتلتها2.00 × 102 g ودرجة حرارتها 10.0 ˚C. افترض عدم فقدان حرارة إلى المحيط الخارجي, ما درجة الحرارة النهائية للخليط؟  45˚C

.7 خاطت عينة ميثانول كتلتها 4.00 × 102 g ودرجة حرارتها 16.0 ˚C مع عينة ماء كتلتها 4.00 × 102 g ودرجة حرارتها 85.0 ˚C. مفترضاً عدم فقدان حرارة إلى المحيط الخارجي, ما درجة الحرارة النهائية للمحيط؟  59.5˚C

.8 وضعت ثلاثة أوزان فلزية لصيد السمك في ماء كتلتهg  1.00 × 102 ودرجة حرارته 35.0 ˚C. فإذا كانت كتلة كل قطعة فلزيةg  1.00 × 102 ودرجة حرارتها 100.0 ˚C, وكانت درجة حرارة الخليط النهائية 45.0 ˚C, فما الحرارة النوعية للرصاص في الأوزان؟  253 J/kg. ˚C

.9 وضع قالب ألمونيوم في ماء كتلتهg  1.00 × 102 ودرجة حرارته C˚ 10.0. فإذا كانت كتلة القالب 1.00 × 102 g ودرجة حرارته 100.0 ˚C وكانت درجة الحرارة النهائية للخليط 25.0 ˚C. فما الحرارة النوعية للألمونيوم؟ 836  J/kg. ˚C

5-1 مراجعة

.10 درجات الحرارة حوّل درجات الحرارة الآتية لأنظمة القياس المشار إليها:

.a 5 ˚C إلى كلفن   278 K

.b 34 k إلى السلسيوس.  -239˚C

.c 212 ˚C إلى كلفن    485 K

.d 316 k إلى السلسيوس.  43˚C

.11 التحويلات حول درجات الحرارة الآتية من سلسيوس إلى كلفن.

.a 28 ˚C  301 K

.b 154 ˚C 427 K

.c 568 ˚C   841 K

.d -55 ˚C   218 K

.e -184 ˚C  89 K

.12 الطاقة الحرارية يمكن أن تكون الطاقة الحرارية في وعاء من الماء الساخن مساوية للطاقة الحرارية في وعاء من الماء البارد؟ فسر إجابتك.

إذا كانت الكميتان متماثلتان فان لكمية الماء الساخن طاقة حرارية اكبر

.13 تدفق الحرارة لماذا تبقى البطاطا المشوية ساخنة مدة أطول من أي طعام آخر في الطبق نفسه؟

إن للبطاطا حرارة نوعية كبيرة ولا توصل الحرارة بصورة جيدة لذلك فإنها تفقد حرارتها ببطء

5-2 تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا

مسائل تدريبية

19. ما مقدارا لحرارة اللازمة لتحويل كتلة من الجليد مقدارها 1.00 × 102 g ودرجة حرارتها -20.0 ˚C إلى ماء درجة حرارتها 0.0 ˚C .  3.75x104 J 

.20 إذا سخنت عينة ماء كتلتها 2.00 × 102 g ودرجة حرارتها 60.0 ˚C فأصبحت بخاراً درجة حرارته 140.0 ˚C, فما مقدار الحرارة الممتصة؟  502 kJ

.21 ما مقدار الحرارة اللازمة لتحويل  3.00 × 102 gمن جليد درجة حرارته -30.0 ˚C إلى بخار ماء درجة حرارته 130.0 ˚C؟  940 kJ 

مسائل تدريبية

.22 يمتص بالون غاز 75 j من الحرارة. فإذا تمدد هذا البالون وبقي عند درجة الحرارة نفسها, فما مقدار الشغل الذي بذله البالون في أثناء تمدده؟   75 J

23. يثقب مثقاب كهربائي فجوة صغيرة في قالب من الألمونيوم كتلته 0.40 kg فيسخن الألمونيوم بمقدار 5.0 ˚C, ما مقدار الشغل الذي يبذله المثقب؟   1800 J

.24 كم مرة يتعين عليك إسقاط كيس من الرصاص كتلته 0.50 kg من ارتفاع 1.5 m؛ لتسخين الرصاص بمقدار 1.0 ˚C؟  9مرات

.25 عندما تحرك كوباً من الشاي, تبذل شغلاً مقداره 0.05 j في كل مرة تحرك فيها الملعقة بصورة دائرية. كم مرة يجب أن تحرك الملعقة لترفع درجة حرارة كوب الشاي الذي كتلته  0.15 kgبمقدار2.0 ˚C؟ (بإهمال زجاج الكوب)   26000 مرة

.26 كيف يمكن استخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية لشرح كيفية تخفيض درجة حرارة جسم ما؟

من الممكن أن تكون  U سالبة لان  U=Q-W لذا يبرد الجسم إذا كانت Q=0 ويبذل الجسم شغلا بفعل التمدد على سبيل المثال أو تكون W=0 وQسالبة فينقل الجسم الحرارة إلي المحيط

5-2 مراجعة

.27 الحرارة الكامنة للتبخر يرسل النظام القديم للتدفئة بخاراً داخل الأنابيب في كل غرفة من المنزل, ويتكاثف هذا البخار في داخل المشعاع ليصبح ماء. حلّل هذه العملية, واشرح كيف تعمل على تدفئة الغرفة؟

يحرر البخار المتكاثف حرارة التبخر إلي داخل الغرفة

.28 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؟ 1.18x105 J  

.29 الحرارة الكامنة للتبخر ما مقدار الطاقة اللازمة لتسخين 1.0 kg من الزئبق عند درجة حرارة 10.0 ˚C إلى درجة الغليان وتبخره كاملاً؟ علماً بأن الحرارة النوعية للزئبق هي 140 j/kg. ˚C, والحرارة الكامنة لتبخره هي 3.06 × 105 j/kg, ودرجة غليان الزئبق هي 357 ˚C.  3.5x105 J

.30 الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية قاس جيمس جول الفرق في درجة حرارة الماء عند قمة شلال ماء وعند قاعه بحذر. فلماذا توقع وجود فرق؟

للماء عند قمة الشلال طاقة وضع جاذبية وتتحول بعض هذه الطاقة إلي طاقة حرارية عندما يصطدم الماء بالأرض عند قاع الشلال

.31 الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية يستخدم رجل مطرقة تزن 320 kg تتحرك بسرعة 5 m/s لتحطيم قالب رصاص كتلته 3.0 kg موضوع على صخرة كتلتها 450 kg. وعندما قاس درجة الحرارة وجد أنها زادت 5.0 ˚C. فسر ذلك.

يمتص قالب الرصاص جزء من طاقة المطرقة الحركية ، إن مقدار طاقة المطرقة =4 kJ والتغير في طاقة القالب الحرارية=2 kJ ، أي أن نصف طاقة المطرقة انتقلت إلي قالب الرصاص

.32 الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية تتدفق مياه شلال يرتفع 125.0 m كما في الشكل 5-17. احسب الفرق في درجة حرارة الماء بين قمة الشلال وقاعه إذا تحولت كل طاقة وضع الماء إلى طاقة حرارية.  0.293˚C

33. الإنتروبي لماذا ينتج عن تدفئة المنزل بواسطة الغاز الطبيعي زيادة في كمية الفوضى أو العشوائية؟

يحرر الغاز حرارة عند درجة حرارة الاحتراق حيث تتحطم الروابط بين جزيئات الغاز ثم تتحد الجزيئات بالأكسجين وتتوزع الحرارة بطرق جديدة عديدة ولا تعيد جزيئات الغاز الطبيعي تجميعها بسهولة وسرعة

.34 التفكير الناقد إذا كان لديك أربع مجموعات من بطاقات مفهرسة, لكل مجموعة لون محدد. تحتوي كل مجموعة 20 ورقة مرقمة. فإذا خلطت بطاقات هذه المجموعات معاً عدة مرات فهل من المحتمل أن تعود البطاقات إلى ترتيبها الأصلي؟ وضح ذلك. وما القانون الفيزيائي الذي ينطبق علية هذا المثال؟

لا هذا مثال علي القانون الثاني في الديناميكا الحرارية والذي تزيد فيه الفوضى

التقويم

35اكملي خريطة المفاهيم أدناه باستخدام المصطلحات الآتية: الحرارة شغل, الطاقة الداخلية.

القانون الاول في الديناميكا الحرارية

الطاقة الداخلية-الطاقة-الشغل

الانتروبي-درجة الحرارة-القوى الخارجية

إتقان المفاهيم

.36 وضح الاختلافات بين الطاقة الميكانيكية لكرة ما. وطاقتها الحرارية, ودرجة حرارتها.

إن الطاقة الميكانيكية هي مجموع طاقتي الوضع والحركة للكرة علي اعتبار أنها كتلة واحدة، والطاقة الحرارية هي مجموع طاقتي الوضع والحركة للجسيمات المنفردة المكونة لكتلة الكرة، أما درجة الحرارة فهي ليست قياس للطاقة الداخلية للكرة

.37 هل يمكن وجود درجة حرارة للفراغ؟ وضح ذلك.

لا، لا يوجد في الفراغ جسيمات ليكون لها طاقة

.38 هل جميع الجزيئات أو الذرات في السائل لها السرعة نفسها؟

لا، يوجد توزيع لسرعات الذرات أو الجزيئات

.39 هل يُعد الجسم مقياساً جيداً لدرجة الحرارة؟ تشعر في يوم شتاء بارد, أن مقبض الباب المعدني أبرد من المقبض الخشبي. فسر ذلك.

يقيس الجلد تدفق الحرارة منه واليه ويمتص مقبض الباب المعدني الحرارة من الجلد أسرع من الباب الخشبي لذلك يبدو ابرد

.40 عند تدفق الحرارة من جسم ساخن ملامس لجسم بارد, هل يحدث للجسمين التغير نفسه في درجات الحرارة؟

ستتغير درجات الحرارة للجسمين اعتمادا على كتلتيهما وعلى حرارتهما النوعية وليس بالضرورة أن يكون تغير درجة الحرارة هو نفسه لكل منهما

.41 هل تستطيع إضافة طاقة حرارية إلى جسم دون زيادة درجة حرارته؟ فسر ذلك.

عندما تصهر مادة صلبة أو عندما تغلي سائلا فانك تضيف طاقة حرارية دون إحداث تغير في درجة الحرارة

.42 عندما يتجمد الشمع, هل يمتص طاقة أم يبعث طاقة؟

عندما يتجمد الشمع تنبعث من طاقة

.43 فسر لماذا يبقى الماء في القربة المحاطة بقماش رطب بارداً أكثر من حالة عدم وجود القماش؟

عندما يتبخر الماء داخل الغطاء القماشي في الهواء الجاف فانه يمتص كمية طاقة تتناسب مع حرارة انصهاره لذا تبرد القربة

.44 أي العمليات تحدث في ملفات مكيف الهواء الموجودة داخل المنزل: التبخر أم التكاثف؟ وضح ذلك.

يتبخر غاز التبريد داخل الملفات الموجودة داخل المنزل ليمتص الطاقة من الغرف

تطبيق المفاهيم

.45 الطبخ تطهو امرأة اللحم في قدر ماء يغلي. فهل ينضج اللحم أسرع عند غلي الماء بشدة أو غليه بهدوء (على نار هادئة)؟

ينبغي ألا يكون هناك اختلاف فالماء في كلتا الحالتين له درجة الحرارة نفسها

.46 أي السائلين يبرده مكعب من الثلج أسرع: الماء أم الميثانول؟ وضح ذلك.

الميثانول، لان له حرارة نوعية اقل يتولد  T اكبر لكتلة معينة وانتقال حرارة معينة حيث أن Q=mC T

47. سُخنت كتل متساوية من قطع الألمونيوم والرصاص بحيث أصبحتا عند درجة الحرارة نفسها, ثم وضعت القطعتان على لوحين متماثلين من الجليد. أيهما يصهر جليداً أكثر؟ وضح ذلك.

يصهر الالومنيوم جليدا أكثر لان حرارته النوعية اكبر من الحرارة النوعية للرصاص

.48 لماذا يشعر الشخص ببرودة السوائل السريعة التبخر على الجلد, ومنها الأسيتون والميثانول؟

لأنهما يمتصان حرارة التبخر من الجلد عند تبخرهما

.49 أُسقط قالبان من الرصاص لهما درجة الحرارة نفسها في كأسين متماثلين من الماء متساويين في درجة الحرارة0 فإذا كانت كتلة القالب A ضعف كتلة القالب B, فهل يكون لكأسي الماء درجات الحرارة نفسها بعد الوصول إلى حالة الاتزان الحراري؟ وضح ذلك.

ستكون الكأس ذات القالب A اسخن لأنه يحتوي علي طاقة حرارية أكثر

إتقان حل المسائل

5-1 درجة الحرارة والطاقة الحرارية

.50 ما مقدار الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 50.0 g من الماء من درجة حرارة 4.5 ˚C إلى درجة حرارة 83.0 ˚C؟   1.64x104 J

.51 يمتص قالب من المعدن كتلته 5.0 × 102 g مقدار 5016 j من الحرارة عندما تتغير درجة حرارته من 20.0 ˚C إلى 30.0 ˚C. احسب الحرارة النوعية للمعدن.   1000 J/kg.K

52 وضعت كتلة من التنجستن مقدارها 1.00 × 102 g, ودرجة حرارتها 100.0 ˚C في 2.00 × 102 g   من الماء عند درجة 20.0 ˚C. فوصل الخليط إلى الاتزان الحراري عند درجة 21.2 ˚C. احسب الحرارة النوعية للتنجستن. 171 J/kg.K

.53 خُلطت 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؟63 ˚C   

.54 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؟   12.7 ˚C

.55 إن الطاقة الحركية لسيارة صغيرة تتحرك بسرعة 100 km/h هي 2.9 × 105 j. لتكون انطباعاً جيداً 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 × 105 j.  0.87  L 

.56 سخان الماء يستخدم سخان ماء قدرته 3.0 × 102 W لتسخين قدح ماء كما في الشكل 5-19. ما مقدار الزمن اللازم لجعل الماء يغلي, إذا كان القدح مصنوعاً من الزجاج وكتلته g 3.0 × 102 ويحتوي 250 g من الماء عند 15 ˚C؟ افرض أن درجة حرارة القدح مساوية لدرجة حرارة الماء, وأنه لن يفقد حرارة في الهواء.  6.1 min

.57 محرك السيارة يحتوي محرك سيارة حديد كتلته 2.50 × 102 kg على ماء للتبريد. افترض 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؟  15 kg