صفحة 185 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

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

الإجابة: W = 75 J بما أن 0 = AU (فقد متساوي الحرارة) إذن W = Q

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا من معلومات: - كمية الحرارة الممتصة: $Q = 75 J$ - درجة الحرارة: ثابتة ($\Delta T = 0$)
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم القانون الأول في الديناميكا الحرارية: $$\\Delta U = Q - W$$ وحيث إن درجة الحرارة ثابتة، فإن التغير في الطاقة الحرارية (الطاقة الداخلية) يساوي صفراً ($\\Delta U = 0$).
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في القانون: $$0 = 75 - W$$ بترتيب المعادلة نجد أن: $$W = 75$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن مقدار الشغل الذي بذله البالون هو: **75 J**

سؤال 23: 23. يثقب مثقب كهربائي فجوة صغيرة في قالب من الألومنيوم كتلته 0.40kg فيسخن الألومنيوم بمقدار 5.0°C. ما مقدار الشغل الذي بذله المثقب؟

الإجابة: W = mcAT W = 0.40 × 899 × 5.0 = 1.8 × 10³ J

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** المعطيات المتوفرة هي: - كتلة الألومنيوم: $m = 0.40 kg$ - التغير في درجة الحرارة: $\\Delta T = 5.0 ^\\circ C$ - الحرارة النوعية للألومنيوم: $c = 899 J/kg\\cdot K$
2. **الخطوة 2 (القانون):** الشغل المبذول هنا تحول بالكامل إلى طاقة حرارية رفعت درجة حرارة القالب، لذا نستخدم قانون كمية الحرارة: $$W = Q = m \times c \times \\Delta T$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في القانون: $$W = 0.40 \times 899 \times 5.0 = 1798$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بتقريب الناتج، نجد أن الشغل المبذول هو: **$1.8 \times 10^3 J$**

سؤال 24: 24. كم مرة يتعين عليك إسقاط كيس من الرصاص كتلته 0.50kg من ارتفاع 1.5m لتسخين الرصاص بمقدار 1.0°C؟

الإجابة: n = Q/W = (mcAT) / (mgAh) n = (0.50 × 899 × 1.0) / (0.50 × 9.8 × 1.5) = 61.15 مرة n = 62 مرة

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لدينا المعطيات التالية: - الكتلة: $m = 0.50 kg$ - الارتفاع: $h = 1.5 m$ - التغير المطلوب في الحرارة: $\\Delta T = 1.0 ^\\circ C$ - تسارع الجاذبية: $g = 9.8 m/s^2$
2. **الخطوة 2 (القانون):** الفكرة هي أن مجموع الشغل الناتج عن السقوط المتكرر ($n \times mgh$) يجب أن يساوي الطاقة الحرارية اللازمة للتسخين ($mc\\Delta T$). إذن عدد المرات ($n$) هو: $$n = \frac{mc\\Delta T}{mgh}$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض (باستخدام ثابت الحرارة النوعية للمادة): $$n = \frac{0.50 \times 899 \times 1.0}{0.50 \times 9.8 \times 1.5} = 61.15$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بما أن عدد المرات يجب أن يكون عدداً صحيحاً لإنجاز المهمة، فإن الإجابة هي: **62 مرة**

سؤال 25: 25. عندما تحرك كوبًا من الشاي، تبذل شغلًا مقداره 0.05J في كل مرة تحرك فيها الملعقة بصورة دائرية. كم مرة يجب أن تحرك الملعقة لترفع درجة حرارة كوب الشاي الذي كتلته 0.15kg بمقدار 2.0°C؟ (بإهمال زجاج الكوب)

الإجابة: n = Q/W = (mcAT) / W n = (0.15 × 4186 × 2.0) / 0.05 = 25116 مرة

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** المعطيات هي: - الشغل في المرة الواحدة: $W_{one} = 0.05 J$ - كتلة الشاي: $m = 0.15 kg$ - التغير في الحرارة: $\\Delta T = 2.0 ^\\circ C$ - الحرارة النوعية للماء (الشاي): $c = 4186 J/kg\\cdot K$
2. **الخطوة 2 (القانون):** نحسب إجمالي الطاقة الحرارية المطلوبة ($Q$) ثم نقسمها على الشغل المبذول في الحركة الواحدة: $$n = \frac{Q}{W_{one}} = \frac{m \times c \times \\Delta T}{W_{one}}$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض: $$n = \frac{0.15 \times 4186 \times 2.0}{0.05}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بعد إجراء الحسابات، نجد أن عدد المرات المطلوب هو: **25116 مرة**

سؤال 26: 26. كيف يمكن استخدام القانون الأول في الديناميكا الحرارية لشرح كيفية تخفيض درجة حرارة جسم ما؟

الإجابة: 26. وفق القانون الأول للديناميكا الحرارية، يمكن خفض درجة حرارة الجسم إذا كانت الطاقة المضافة (Q) < الشغل المبذول (W) أو إذا بذل الجسم شغلًا (W) دون إضافة طاقة حرارية (Q) أو إذا كانت الطاقة المضافة (Q) سالبة (تخرج حرارة من الجسم).

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** ينص القانون الأول في الديناميكا الحرارية على أن التغير في الطاقة الداخلية للجسم ($\\Delta U$) يعتمد على كمية الحرارة المضافة ($Q$) والشغل الذي يبذله الجسم ($W$)، وصيغته: $\\Delta U = Q - W$.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** لكي تنخفض درجة حرارة الجسم، يجب أن تقل طاقته الداخلية (أي تكون $\\Delta U$ سالبة). وهذا يتحقق في حالات محددة: إما أن يفقد الجسم حرارة للوسط المحيط (تكون $Q$ سالبة)، أو أن يبذل الجسم شغلاً أكبر من الحرارة التي يمتصها.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، يمكن خفض الحرارة إذا كانت **الطاقة المضافة أقل من الشغل المبذول، أو إذا بذل الجسم شغلاً دون إضافة حرارة، أو إذا انتُزعت منه حرارة (Q سالبة)**.

قالب من الألومنيوم كتلته 0.40kg يسخن بمقدار 5.0°C بفعل شغل مبذول. إذا كانت الحرارة النوعية للألومنيوم 899 J/kg·K، فما مقدار الشغل المبذول الذي تحول بالكامل إلى طاقة حرارية؟

• أ) 1.8 × 10² J
• ب) 1.8 × 10³ J
• ج) 1.8 × 10⁴ J
• د) 0.8 × 10³ J

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: 1.8 × 10³ J

الشرح: 1. الشغل المبذول (W) يعادل كمية الحرارة الممتصة (Q). 2. قانون كمية الحرارة هو Q = m × c × ΔT. 3. بالتعويض: W = 0.40 kg × 899 J/kg·K × 5.0 °C = 1798 J. 4. بتقريب الناتج لأقرب رقمين معنويين، يصبح 1.8 × 10³ J.

تلميح: الشغل المبذول هنا يعادل كمية الحرارة الممتصة لرفع درجة الحرارة، استخدم صيغة الحرارة النوعية.

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط

أي من الظواهر التالية، على الرغم من أنها تتفق مع القانون الأول في الديناميكا الحرارية، إلا أنها لا تحدث تلقائياً ويُفسّر عدم حدوثها بالقانون الثاني في الديناميكا الحرارية؟

• أ) تحول الشغل إلى حرارة نتيجة الاحتكاك.
• ب) تدفق الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن.
• ج) تحول الطاقة الحرارية إلى شغل ميكانيكي جزئياً في محرك.
• د) زيادة درجة حرارة جسم عند امتصاصه للحرارة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تدفق الحرارة من جسم بارد إلى جسم ساخن.

الشرح: 1. القانون الأول في الديناميكا الحرارية يحافظ على الطاقة ولا يحدد اتجاه العمليات التلقائية. 2. القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن الحرارة لا تتدفق تلقائيًا من جسم بارد إلى جسم ساخن دون بذل شغل خارجي، وهذا هو ما لا يحدث تلقائياً.

تلميح: تذكر الاتجاه الطبيعي لتدفق الحرارة الذي يحدده القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

إذا تحول شغل مقداره 1800 جول بالكامل إلى طاقة حرارية لرفع درجة حرارة قطعة ألومنيوم كتلتها 0.40 كجم بمقدار 5.0 درجة مئوية، فما الحرارة النوعية للألومنيوم المستخدمة في الحساب؟

• أ) 899 جول/كجم.°م
• ب) 900 جول/كجم.°م
• ج) 1800 جول/كجم.°م
• د) 3600 جول/كجم.°م

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: 900 جول/كجم.°م

الشرح: 1. الشغل المبذول يتحول إلى حرارة: W = Q = 1800 جول. 2. قانون كمية الحرارة: Q = m * c * ΔT. 3. بالتعويض: 1800 = 0.40 * c * 5.0. 4. حل المعادلة: c = 1800 / (0.40 * 5.0) = 900 جول/كجم.°م.

تلميح: استخدم قانون كمية الحرارة Q = mcΔT، مع ملاحظة أن الشغل المبذول (W) يساوي كمية الحرارة (Q).

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

وفقاً للقانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، كيف يمكن تخفيض درجة حرارة جسم ما؟

• أ) بزيادة الحرارة الممتصة (Q) وثبات الشغل المبذول (W).
• ب) إما بفقد الجسم للحرارة (Q سالبة)، أو إذا بذل الجسم شغلًا أكبر من الحرارة التي يمتصها.
• ج) بزيادة الشغل المبذول على الجسم (W سالب) وثبات الحرارة الممتصة (Q).
• د) عندما تكون الحرارة الممتصة (Q) مساوية تماماً للشغل المبذول (W).

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: إما بفقد الجسم للحرارة (Q سالبة)، أو إذا بذل الجسم شغلًا أكبر من الحرارة التي يمتصها.

الشرح: 1. لخفض درجة حرارة جسم، يجب أن تنخفض طاقته الداخلية (أي أن ΔU < 0). 2. وفق القانون ΔU = Q - W: 3. إذا كان Q سالباً (الجسم يفقد حرارة)، فإن ΔU ستقل. 4. إذا كان الجسم يبذل شغلاً (W موجب) أكبر من الحرارة التي يمتصها (Q موجب لكن Q < W)، فستكون ΔU سالبة.

تلميح: لخفض درجة الحرارة، يجب أن تقل الطاقة الداخلية للجسم (ΔU تكون سالبة).

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

وفقًا للقانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، كيف يمكن أن تنخفض درجة حرارة جسم ما (ΔU سالبة)؟

• أ) إذا امتص الجسم كمية كبيرة من الحرارة (Q كبيرة موجبة).
• ب) إذا بذل الجسم شغلًا قليلًا جدًا (W ≈ 0).
• ج) إذا كانت الطاقة المفقودة (Q سالبة أو W موجب) أكبر من الطاقة الممتصة.
• د) إذا كانت Q و W متساويتين في المقدار.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: إذا كانت الطاقة المفقودة (Q سالبة أو W موجب) أكبر من الطاقة الممتصة.

الشرح: 1. ΔU سالبة تعني نقصان الطاقة الداخلية للجسم، وبالتالي انخفاض درجة حرارته. 2. من القانون ΔU = Q - W، تكون ΔU سالبة إذا: - Q سالبة (يفقد الجسم حرارة للوسط). - أو W موجب (يبذل الجسم شغلًا) وكان أكبر من أي حرارة يمتصها (Q). 3. باختصار، يجب أن يكون إجمالي الطاقة الخارجة أكبر من الطاقة الداخلة.

تلميح: فكر في الشروط التي تجعل التغير في الطاقة الداخلية (ΔU) سالبًا.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

بناءً على القانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، أي من الحالات التالية تؤدي حتماً إلى خفض درجة حرارة الجسم (نقصان طاقته الداخلية)؟

• أ) أن يمتص الجسم كمية حرارة (Q) تزيد عن مقدار الشغل (W) الذي يبذله.
• ب) أن يبذل الجسم شغلاً (W) بمقدار أكبر من كمية الحرارة (Q) التي يمتصها.
• ج) أن يتم بذل شغل خارجي على الجسم (W سالبة) في نظام معزول حرارياً.
• د) تساوي كمية الحرارة الممتصة (Q) مع مقدار الشغل المبذول (W).

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: أن يبذل الجسم شغلاً (W) بمقدار أكبر من كمية الحرارة (Q) التي يمتصها.

الشرح: 1. القانون الأول للديناميكا الحرارية هو ΔU = Q - W. 2. لخفض درجة الحرارة، يجب أن تكون ΔU سالبة (ΔU < 0). 3. رياضياً، يتحقق ذلك إذا كانت القيمة المطروحة (الشغل W) أكبر من القيمة المضافة (الحرارة Q). 4. بالتالي، عندما يبذل الجسم شغلاً أكبر من الحرارة التي يمتصها، تنقص طاقته الداخلية وتنخفض حرارته.

تلميح: تذكر أن خفض درجة الحرارة يعني أن التغير في الطاقة الداخلية (ΔU) يجب أن يكون قيمة سالبة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

وفقاً للقانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، أي من الظروف التالية تؤدي إلى خفض الطاقة الداخلية للنظام (وبالتالي خفض درجة حرارته)؟

• أ) امتصاص النظام لكمية من الحرارة مساوية تماماً للشغل الذي يبذله (Q = W).
• ب) بذل النظام شغلاً (W) مع عدم امتصاص حرارة (Q = 0).
• ج) امتصاص النظام لكمية من الحرارة دون بذل أي شغل (W = 0).
• د) بذل شغل على النظام من قبل الوسط المحيط مع بقاء الحرارة ثابتة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: بذل النظام شغلاً (W) مع عدم امتصاص حرارة (Q = 0)

الشرح: 1. ينص القانون الأول على أن التغير في الطاقة الداخلية (ΔU) يساوي كمية الحرارة المضافة (Q) مطروحاً منها الشغل المبذول بواسطة النظام (W). 2. لخفض درجة الحرارة، يجب أن تكون ΔU قيمة سالبة. 3. عند بذل النظام شغلاً (W موجبة) دون امتصاص حرارة (Q = 0)، تصبح المعادلة: ΔU = 0 - W. 4. النتيجة هي ΔU سالبة، مما يعني نقص الطاقة الحرارية وانخفاض درجة حرارة الجسم.

تلميح: فكر في العلاقة الرياضية؛ لكي تنخفض الطاقة (ΔU سالبة)، يجب أن يكون الطرف الآخر من المعادلة سالباً.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

بناءً على القانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، أي من الحالات التالية تؤدي حتماً إلى خفض درجة حرارة الجسم (تقليل طاقته الحرارية)؟

• أ) امتصاص الجسم كمية من الحرارة (Q) أكبر من مقدار الشغل الذي يبذله (W).
• ب) بذل الجسم شغلاً (W) أكبر من كمية الحرارة التي يمتصها (Q).
• ج) تساوي مقدار الحرارة الممتصة (Q) مع مقدار الشغل المبذول (W) تماماً.
• د) توقف الجسم عن بذل أي شغل مع استمرار امتصاصه للحرارة من المحيط.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: بذل الجسم شغلاً (W) أكبر من كمية الحرارة التي يمتصها (Q).

الشرح: 1. ينص القانون الأول في الديناميكا الحرارية على أن التغير في الطاقة الداخلية يساوي الحرارة المضافة مطروحاً منها الشغل المبذول (ΔU = Q - W). 2. لكي تنخفض درجة الحرارة، يجب أن يقل المحتوى الحراري للجسم، أي تكون ΔU قيمة سالبة. 3. رياضياً، تكون ΔU سالبة إذا كانت قيمة الشغل المطروح (W) أكبر من قيمة الحرارة المضافة (Q). 4. في هذه الحالة، يستهلك الجسم من طاقته الداخلية لإنجاز الشغل، مما يؤدي لبردوه.

تلميح: تذكر أن انخفاض درجة الحرارة يعني أن التغير في الطاقة الداخلية (ΔU) يجب أن يكون سالباً.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

بناءً على القانون الأول في الديناميكا الحرارية (ΔU = Q - W)، أي من الحالات التالية تؤدي حتماً إلى خفض درجة حرارة الجسم (تقليل طاقته الداخلية)؟

• أ) عندما يمتص الجسم كمية حرارة (Q) مساوية تماماً للشغل (W) الذي يبذله.
• ب) عندما تكون كمية الحرارة المضافة (Q) أكبر من الشغل (W) الذي يبذله الجسم.
• ج) عندما يبذل الجسم شغلاً (W) أكبر من كمية الحرارة المضافة إليه (Q).
• د) عندما يتم بذل شغل ميكانيكي على الجسم دون أن يفقد أي حرارة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: عندما يبذل الجسم شغلاً (W) أكبر من كمية الحرارة المضافة إليه (Q).

الشرح: 1. ينص القانون الأول على أن التغير في الطاقة الداخلية يساوي الحرارة المضافة مطروحاً منها الشغل المبذول (ΔU = Q - W). 2. لخفض درجة الحرارة، يجب أن تكون ΔU سالبة. 3. يتحقق ذلك رياضياً عندما تكون قيمة الشغل (W) الذي يبذله الجسم أكبر من قيمة الحرارة (Q) التي يمتصها. 4. في هذه الحالة، يستهلك الجسم من مخزون طاقته الداخلية لتعويض الفرق، مما يؤدي لانخفاض درجة حرارته.

تلميح: فكر في العلاقة الرياضية؛ متى تكون قيمة التغير في الطاقة (ΔU) سالبة؟

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط