مسائل دروس في الفيزياء

التفكير الناقد

91. تطبيق المفاهيم يعد اصطدام طائر بالزجاج الأمامي لسيارة متحركة مثالاً على تصادم جسمين كتلة أحدهما عدة أضعاف كتلة الآخر, ومن ناحية أخرى يعد تصادم كرتي بلياردو مثالاً على تصادم جسمين متساويين في الكتلة, فكيف تتحول الطاقة في هذه التصادمات؟ ادرس تصادماً مرناً بين كرة بلياردو كتلتها m1 وسرعتها v1 بكرة أخرى سرعتها m2.

.a إذا كانت m1 = m2, فما النسبة بين الطاقة المنقولة إلى m2 والطاقة الابتدائية؟   كل الطاقة

.b أذا كانت m1 >> m2, فما النسبة بين الطاقة المنقولة إلى m2 والطاقة الابتدائية؟  الطاقة المنتقلة إلي m2 سوف تقل

.c يتم تبطئة النيوترونات في المفاعل النووي عن طريق تصادمها بالذرات (كتلة النيوترون تساوي تقريباً كتلة البروتون), فأي الذرات الآتية مناسبة لتحقيق الهدف: الهيدروجين, أم الكربون, أم الأرجون؟   الهيدروجين

.92 التحليل والاستنتاج يكون كل من الزخم والطاقة الميكانيكية محفوظاً في التصادم التام المرونة. فإذا تصادمت كرتان كتلتاهما على الترتيب mB, mA, وسرعتاهما vB, vA تتجهان إحداهما نحو الأخرى. استنتج المعادلات المناسبة لحساب سرعة كل منهما بعد التصادم؟

Va2=

.93 التحليل والاستنتاج قذفت كرة كتلتها 25 g بسرعة v1 نحو كرة أخرى ساكنة كتلتها 125 g ومعلقة بخيط رأسي طوله 1.25 m. فإذا كان التصادم بين الكرتين تام المرونة, وتحركت الكرة المعلقة بحيث صنع خيط التعليق زاوية 37.0˚ مع الرأسي, حيث توقفت لحظياً فاحسب v1؟  6.7 m/s

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

C. v

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

الفصل الخامس (الطاقة الحرارية

5-1 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 فلزيةg1.00 × 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 حرارتها0.0 ˚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 مقدارها2.9 × 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

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

>