حل أسئلة التقويم للفصل الخامس (الطاقة الحرارية)

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

حل أسئلة التقويم للفصل الخامس (الطاقة الحرارية)

نبدأ على بركة الله

خريطة المفاهيم

35. أكمل خريطة المفاهيم أدناه باستخدام المصطلحات الآتية: الحرارة، الشغل، الطاقة الداخلية.

الحل:

إتقان المفاهيم

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

الحل:

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 .

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

الحل:

لا ، لا يوجد في الفراغ جسيمات ليكون لها طاقة .

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

الحل:

لا ، يوجد توزيع لسرعات الذرات أو الجزيئات .

39. هل يعد جسم الإنسان مقياسا جيدا لدرجة الحرارة ؟ تشعر في يوم شتاء بارد، أن مقبض الباب المعدني أبرد من المقبض الخشبي. فسر ذلك .

الحل:

يقيس الجلد تدفق الحرارة منه أو إليه ، ويمتص مقبض الباب المعدني الحرارة من الجلد أسرع من الباب الخشبي ، لذا يبدو أبرد

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

الحل:

ستتغير درجات الحرارة للجسمين اعتمادا على كتلتيهما وعلى حرارتيهما 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.

الحل:

عندما تصهر مادة صلبة أو عندما تغلي سائلا فإنك تضيف طاقة حرارية دون إحداث تغيير في درجة الحرارة .

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

الحل:

عندما يتجمد الشمع تنبعث منه طاقة .

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

الحل:

عندما يتبخر الماء داخل الغطاء القماشي في الهواء الجاف فإنه 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 .

الحل:

يتبخر غاز التبريد داخل الملفات الموجودة داخل المنزل ، ليمتص الطاقة من الغلاف .

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)؟

الحل:

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.

الحل:

الميثانول ، لأن له حرارة نوعية أقل . يولد التغير في الزمن T أكبر لكتلة معينة وانتقال حرارة معينة ، حيث إن Q = mC(Tf-Ti)

47. 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.

الحل:

يصهر الألمنيوم جليدا أكبر ، لأن حرارته النوعية أكبر من الحرارة النوعية للرصاص .

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

الحل:

لأنهما يمتصان حرارة التبخر من الجلد عند تبخرهما .

49. أُسقط 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.

الحل:

ستكون الكأس ذات القالب A أسخن ، لأن القالب A يحتوي طاقة حرارية أكثر .

إتقان حل المسائل

1-5 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 ؟

الحل:

51. 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.

الحل:

52. 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.

الحل:

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؟

الحل:

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؟

الحل:

55. 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 .

الحل:

56. 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.

الحل:

57. 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 ؟

الحل:

5-2 تغيرات حالة المادة وقوانين الديناميكا الحرارية.

58. 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؟

الحل:

59. 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؟

الحل:

60. 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؟

الحل:

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 ؟

الحل:

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 :

62. 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.

الحل:

63. 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 ؟

الحل:

اكتسبت الفتاة طاقة تساوي :

مقدار الارتفاع الذي ينبغي أن تصعد إليه الفتاة يساوي :

مراجعة عامة

64. 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 ؟

الحل:

65. 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؟

الحل:

66. 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 ؟

الحل:

تغير الطاقة في السيارة :

إذا تم نقل كل هذه الطاقة فإن :

67. 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؟

الحل:

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 .

68. 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 ؟

الحل:

لقالب النحاس كتلة أكبر 2.3 مرة من كتلة قالب الألمنيوم

69. 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؟

الحل:

التغير في الطاقة الداخلية للكتل هو :

70. 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 ؟

الحل:

لذلك، يضاف 6.6 J إلى الجليد. يتم إعطاء كمية من ذاب الجليد :

التفكير الناقد

71. 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 ؟

الحل:

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 30.0W . ما مقدار العرق الذي يجب أن يتبخر من اللاعب كل ساعة ليبدد هذه الطاقة الحرارية الإضافية؟

الحل:

كمية الطاقة الحرارية التي تبدد في 1.00 h :

كمية العرق الذي يجب أن يتبخر :

73. 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؟

الحل:

كمية الطاقة المضافة إلى الماء :

وبالتالي فإن الطاقة لكل جزيء :

74. 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 ؟

الحل:

سيتغير متوسط درجات الحرارة على الأرض وبالتالي أنماط الطقس وأصناف النباتات وأنواع الحيوانات المنقرضة .

الكتابة في الفيزياء

75. 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؟

الحل:

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 .

76. 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؟

الحل:

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 .

مراجعة تراكمية

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

الحل:

78. 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؟

الحل:

كمية الشغل اللازمة لاكمال لفة واحدة :