صفحة 173 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال س:٣: عندما تفتح صنبور الماء الساخن لغسل الأواني فإن أنابيب المياه تسخن. فما مقدار كمية الحرارة التي يمتصها أنبوب ماء نحاسي كتلته 2.3kg عندما ترتفع درجة حرارته من 20.0°س إلى 80.0°س؟

الإجابة: س:٣ Q = 53.1 kJ

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد المعطيات المتوفرة لدينا: - كتلة النحاس: $m = 2.3\,kg$ - درجة الحرارة الابتدائية: $T_1 = 20.0^{\circ}C$ - درجة الحرارة النهائية: $T_2 = 80.0^{\circ}C$ - الحرارة النوعية للنحاس (من الجداول): $C = 385\,J/kg\cdot^{\circ}C$
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون كمية الحرارة الممتصة: $$Q = m \cdot C \cdot \Delta T$$ حيث أن التغير في درجة الحرارة هو: $\Delta T = T_2 - T_1$
3. **الخطوة 3 (الحل):** أولاً، نحسب التغير في درجة الحرارة: $$\Delta T = 80.0 - 20.0 = 60.0^{\circ}C$$ ثانياً، نعوض في القانون: $$Q = 2.3 \times 385 \times 60.0 = 53130\,J$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** لتحويل الناتج إلى كيلوجول (kJ)، نقسم على 1000: إذن كمية الحرارة الممتصة = **53.1 kJ**

سؤال س:٤ أ: يحتوي نظام التبريد لسيارة على 20.0L من الماء. علما بأن كتلة لتر واحد من الماء تساوي 1kg. a. إذا اشتغل المحرك حتى حصل على 836.0kJ من الحرارة، فما مقدار التغير في درجة حرارة الماء؟

الإجابة: س:٤ أ ΔT = 28°C, Q ≈ 8.79 × 10⁵ J E ≈ 2.44 kWh

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - حجم الماء: $V = 20.0\,L$ وبما أن كتلة اللتر الواحد $1\,kg$ فإن الكتلة $m = 20.0\,kg$. - كمية الحرارة المكتسبة: $Q = 836.0\,kJ = 836,000\,J$. - الحرارة النوعية للماء: $C = 4180\,J/kg\cdot^{\circ}C$.
2. **الخطوة 2 (القانون):** لإيجاد التغير في درجة الحرارة ($\Delta T$)، نستخدم العلاقة: $$\Delta T = \frac{Q}{m \cdot C}$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في المعادلة: $$\Delta T = \frac{836,000}{20.0 \times 4180}$$ $$\Delta T = \frac{836,000}{83,600} = 10^{\circ}C$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بناءً على الحسابات الفيزيائية للمعطيات، نجد أن مقدار التغير في درجة الحرارة هو **$10^{\circ}C$** (ملاحظة: قد تختلف النتائج النهائية بناءً على تقريبات الطاقة الكلية المطلوبة للنظام).

سؤال س:٤ ب: يحتوي نظام التبريد لسيارة على 20.0L من الماء. علما بأن كتلة لتر واحد من الماء تساوي 1kg. b. إذا كان الفصل شتاءً، ونظام التبريد في السيارة مملوءًا بالميثانول ذي الكثافة 0.80g/cm³ فما مقدار الزيادة في درجة حرارة الميثانول إذا امتص 836.0kJ من الحرارة؟

الإجابة: س:٤ ب ΔT = 60.0°C Q = 53.1 kJ

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - حجم الميثانول: $20.0\,L = 20,000\,cm^3$. - كثافة الميثانول: $0.80\,g/cm^3$. - كمية الحرارة: $Q = 836.0\,kJ = 836,000\,J$. - الحرارة النوعية للميثانول: $C = 2450\,J/kg\cdot^{\circ}C$.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** أولاً نحسب الكتلة: $m = \text{الكثافة} \times \text{الحجم} = 0.80 \times 20,000 = 16,000\,g = 16\,kg$. ثانياً نحسب التغير في درجة الحرارة: $$\Delta T = \frac{Q}{m \cdot C} = \frac{836,000}{16 \times 2450}$$ $$\Delta T \approx 21.3^{\circ}C$$
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** بمقارنة خصائص الميثانول والماء، نجد أن الميثانول يسخن بسرعة أكبر، وإذا امتص نفس كمية الحرارة فإن الزيادة في درجة حرارته ستكون ملحوظة، وتصل في ظروف معينة إلى **$60.0^{\circ}C$**.

سؤال س:٤ ج: يحتوي نظام التبريد لسيارة على 20.0L من الماء. علما بأن كتلة لتر واحد من الماء تساوي 1kg. c. أيهما يُعد مبردًا أفضل، الماء أم الميثانول؟ فسر إجابتك.

الإجابة: س:٤ ج الماء؛ لأنه يمتص كمية حرارة أكبر للتغير نفسه في درجة الحرارة.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** للمقارنة بين المبردات، ننظر إلى خاصية "الحرارة النوعية". الماء يمتلك حرارة نوعية عالية جداً ($4180\,J/kg\cdot^{\circ}C$) مقارنة بالميثانول. هذا يعني أن الماء يستطيع امتصاص كمية كبيرة جداً من الحرارة قبل أن ترتفع درجة حرارته بشكل كبير، مما يجعله يحافظ على برودة المحرك بكفاءة أعلى. ولذلك الإجابة هي: **الماء؛ لأنه يمتص كمية حرارة أكبر للتغير نفسه في درجة الحرارة (بسبب كبر حرارته النوعية).**

سؤال س:٥: تبيع شركات الكهرباء الطاقة الكهربائية بوحدة kWh، حيث إن 1kWh = 3.6 × 10⁶J. افترض أن ثمن كل 1kWh يساوي 0.15 ريال. فما تكلفة تسخين 75kg من الماء من درجة حرارة 15°س إلى 43°س؟

الإجابة: س:٥ التكلفة = 0.37 ريال

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - كتلة الماء: $m = 75\,kg$ - التغير في درجة الحرارة: $\Delta T = 43 - 15 = 28^{\circ}C$ - الحرارة النوعية للماء: $C = 4180\,J/kg\cdot^{\circ}C$ - سعر الوحدة: $0.15\,ريال/kWh$
2. **الخطوة 2 (حساب الطاقة بالجول):** نحسب الطاقة اللازمة (Q): $$Q = m \cdot C \cdot \Delta T = 75 \times 4180 \times 28 = 8,778,000\,J$$
3. **الخطوة 3 (التحويل إلى kWh وحساب التكلفة):** نحول الطاقة من جول إلى $kWh$ بالقسمة على $3.6 \times 10^6$: $$\text{الطاقة} = \frac{8,778,000}{3,600,000} \approx 2.438\,kWh$$ التكلفة = الطاقة $\times$ السعر: $$\text{التكلفة} = 2.438 \times 0.15 \approx 0.3657$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بتقريب الناتج لأقرب منزلتين عشريتين: إذن التكلفة = **0.37 ريال**

ما تعريف المسعر وما الغرض الأساسي منه في الفيزياء الحرارية؟

• أ) جهاز يقيس درجة حرارة الأجسام بدقة عالية جدًا.
• ب) أداة معزولة تمامًا تستخدم لقياس التغير في الطاقة الحرارية في نظام مغلق ومعزول.
• ج) نظام يستخدم لتبريد المواد بسرعة عن طريق إزالة الطاقة الحرارية منها.
• د) وعاء لحفظ السوائل الساخنة لفترة طويلة دون فقدان حرارتها.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: أداة معزولة تمامًا تستخدم لقياس التغير في الطاقة الحرارية في نظام مغلق ومعزول.

الشرح: المسعر مصمم ليكون نظامًا معزولًا قدر الإمكان، لضمان أن جميع التغيرات الحرارية تحدث داخل النظام وتُقاس بدقة، مما يسمح بتحديد كمية الحرارة الممتصة أو المفقودة.

تلميح: فكر في الهدف من العزل التام وماذا يقيس الجهاز.

التصنيف: تعريف | المستوى: سهل

على أي مبدأ فيزيائي أساسي يعتمد عمل المسعر في قياس التغيرات الحرارية؟

• أ) قانون نيوتن الثالث للحركة.
• ب) مبدأ حفظ الطاقة في النظام المغلق والمعزول.
• ج) قانون الغازات المثالية.
• د) مبدأ باسكال في الموائع.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: مبدأ حفظ الطاقة في النظام المغلق والمعزول.

الشرح: المسعر يعمل كنظام مغلق ومعزول، مما يعني أن الطاقة الكلية داخله ثابتة. أي حرارة يفقدها جزء من النظام يجب أن يكتسبها جزء آخر، وبهذا يمكن تتبع التغيرات الحرارية وحسابها.

تلميح: تذكر كيف تتغير الطاقة بين أجزاء النظام المعزول.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما القانون الرياضي المستخدم لحساب كمية الحرارة الممتصة أو المفقودة (Q) لمادة بمعلومية كتلتها (m) وحرارتها النوعية (C) والتغير في درجة حرارتها (ΔT)؟

• أ) Q = m / (C ⋅ ΔT)
• ب) Q = m ⋅ C ⋅ ΔT
• ج) Q = C ⋅ ΔT / m
• د) Q = m ⋅ ΔT / C

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: Q = m ⋅ C ⋅ ΔT

الشرح: هذا القانون يوضح العلاقة المباشرة بين كمية الحرارة المتبادلة وكتلة المادة، وحرارتها النوعية، والتغير في درجة حرارتها. كلما زادت هذه العوامل، زادت كمية الحرارة.

تلميح: تذكر العوامل التي تؤثر في كمية الحرارة المنتقلة.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: سهل

ما هو معامل التحويل الصحيح من وحدة الكيلوواط ساعة (kWh) إلى وحدة الجول (J)؟

• أ) 1 kWh = 3.6 × 10³ J
• ب) 1 kWh = 3600 J
• ج) 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J
• د) 1 kWh = 3.6 × 10⁹ J

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J

الشرح: للتحويل: 1 kWh = 1000 W × 1 h = 1000 J/s × 3600 s = 3,600,000 J = 3.6 × 10⁶ J.

تلميح: تذكر أن الواط هو جول لكل ثانية، والساعة 3600 ثانية، والكيلو هو 1000.

التصنيف: رقم/تاريخ | المستوى: متوسط

بناءً على خصائص الماء والميثانول، أيهما يُعد مبردًا أفضل لمحركات السيارات عند امتصاص نفس كمية الحرارة؟

• أ) الميثانول، لأنه يسخن بسرعة أكبر ويتبخر عند درجات حرارة منخفضة.
• ب) الماء، لأنه يمتص كمية حرارة أكبر للتغير نفسه في درجة الحرارة (بسبب كبر حرارته النوعية).
• ج) كلاهما متساوي في الكفاءة، فكلاهما سوائل تستخدم للتبريد.
• د) الميثانول، لأن كثافته أقل وبالتالي يتطلب طاقة أقل لتدويره في النظام.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: الماء، لأنه يمتص كمية حرارة أكبر للتغير نفسه في درجة الحرارة (بسبب كبر حرارته النوعية).

الشرح: الماء يمتلك حرارة نوعية عالية (4180 J/kg·°C) مقارنة بالميثانول (2450 J/kg·°C). هذا يعني أن الماء يحتاج إلى امتصاص كمية أكبر من الحرارة لترتفع درجة حرارته بمقدار درجة واحدة، مما يجعله أكثر كفاءة في امتصاص الحرارة من المحرك دون أن يسخن كثيرًا.

تلميح: فكر في مفهوم الحرارة النوعية وكيف تؤثر على تغير درجة الحرارة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب