صفحة 189 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 27: الحرارة الكامنة للتبخر يرسل النظام القديم للتدفئة بخارًا داخل الأنابيب في كل غرفة من المنزل، ويتكثف هذا البخار في داخل المبرد ليصبح ماءً. حلّل هذه العملية، واشرح كيف تعمل على تدفئة الغرفة؟

الإجابة: يدخل البخار الساخن إلى الأنابيب، وعند تكثفه يطلق الحرارة الكامنة للتبخر (طاقة كبيرة) فتسخن جدران المبرد، وتنتقل الحرارة للغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذه العملية: البخار الساخن يدخل إلى أنابيب المبرد في الغرفة. البخار هو ماء في الحالة الغازية، وعندما يلامس جدران المبرد الباردة نسبياً، يحدث له **تكثف**، أي يتحول من غاز إلى سائل (ماء). هذا التحول (من بخار إلى ماء) يسمى تغير طور، وخلاله يطلق البخار **الحرارة الكامنة للتبخر** التي كان يحتاجها سابقاً ليصبح بخاراً. هذه الحرارة المُطلَقة كبيرة جداً. تنتقل هذه الحرارة إلى جدران المبرد فترتفع حرارتها، ثم تنتقل من المبرد إلى هواء الغرفة بطرق انتقال الحرارة الثلاث: **التوصيل** (من المعدن إلى الهواء الملاصق)، و**الحمل** (حركة الهواء الساخن)، و**الإشعاع** (أشعة حرارية). إذن الإجابة هي: **يدخل البخار الساخن إلى الأنابيب، وعند تكثفه يطلق الحرارة الكامنة للتبخر (طاقة كبيرة) فتسخن جدران المبرد، وتنتقل الحرارة للغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.**

سؤال 28: الحرارة الكامنة للتبخر ما مقدار كمية الحرارة اللازمة لتحويل 50.0 g من الماء عند درجة حرارة 80.0°C إلى بخار عند درجة حرارة 110.0°C؟

الإجابة: س 28: الكتلة $m = 0.05kg$ $Q = mc\Delta T + mL_v + mc\Delta T$ $Q \approx 1.18 \times 10^5 J$ الإجابة: $1.18 \times 10^5 J$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كتلة الماء: $m = 50.0 \, \text{g} = 0.0500 \, \text{kg}$ - درجة حرارة الماء الأولية: $T_1 = 80.0^\circ \text{C}$ - درجة حرارة البخار النهائية: $T_2 = 110.0^\circ \text{C}$ - درجة غليان الماء: $T_b = 100.0^\circ \text{C}$ (معلومة أساسية) - الحرارة النوعية للماء (سائل): $c_w \approx 4186 \, \text{J/(kg·°C)}$ (معلومة أساسية) - الحرارة النوعية لبخار الماء: $c_v \approx 2010 \, \text{J/(kg·°C)}$ (معلومة أساسية) - الحرارة الكامنة لتبخر الماء: $L_v \approx 2.26 \times 10^6 \, \text{J/kg}$ (معلومة أساسية)
2. **الخطوة 2 (الفكرة والقانون):** هذه العملية تتكون من ثلاث مراحل: 1. تسخين الماء السائل من $80.0^\circ \text{C}$ إلى $100.0^\circ \text{C}$. 2. تحويل الماء عند $100.0^\circ \text{C}$ إلى بخار عند نفس الدرجة (تغير طور). 3. تسخين البخار من $100.0^\circ \text{C}$ إلى $110.0^\circ \text{C}$. كمية الحرارة الكلية $Q$ هي مجموع حرارة المراحل الثلاث: $$Q = Q_1 + Q_2 + Q_3$$ حيث: $$Q_1 = m \, c_w \, (T_b - T_1)$$ $$Q_2 = m \, L_v$$ $$Q_3 = m \, c_v \, (T_2 - T_b)$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض بالقيم: 1. حرارة تسخين الماء: $$Q_1 = (0.0500) \times (4186) \times (100.0 - 80.0)$$ $$Q_1 = 0.0500 \times 4186 \times 20.0 = 4186 \, \text{J}$$ 2. حرارة التبخر: $$Q_2 = (0.0500) \times (2.26 \times 10^6) = 1.13 \times 10^5 \, \text{J}$$ 3. حرارة تسخين البخار: $$Q_3 = (0.0500) \times (2010) \times (110.0 - 100.0)$$ $$Q_3 = 0.0500 \times 2010 \times 10.0 = 1005 \, \text{J}$$ 4. الحرارة الكلية: $$Q = Q_1 + Q_2 + Q_3$$ $$Q = 4186 + 113000 + 1005 = 118191 \, \text{J}$$ $$Q \approx 1.18 \times 10^5 \, \text{J}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن مقدار كمية الحرارة اللازمة هو: **$1.18 \times 10^5 \, \text{J}$**

سؤال 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.

الإجابة: س 29: $Q = mc\Delta T + mL_v$ $Q \approx 3.55 \times 10^5 J$ الإجابة: $3.55 \times 10^5 J$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - كتلة الزئبق: $m = 1.0 \, \text{kg}$ - درجة الحرارة الأولية: $T_i = 10.0^\circ \text{C}$ - درجة غليان الزئبق: $T_b = 357^\circ \text{C}$ (معطاة) - الحرارة النوعية للزئبق: $c = 140 \, \text{J/(kg·°C)}$ (معطاة) - الحرارة الكامنة لتبخر الزئبق: $L_v = 3.06 \times 10^5 \, \text{J/kg}$ (معطاة)
2. **الخطوة 2 (القانون):** هذه العملية تتكون من مرحلتين: 1. تسخين الزئبق السائل من درجة حرارته الأولية إلى درجة غليانه. 2. تحويل الزئبق السائل عند درجة الغليان إلى بخار (تبخير كامل). كمية الطاقة الكلية $Q$ هي: $$Q = Q_{\text{تسخين}} + Q_{\text{تبخير}}$$ حيث: $$Q_{\text{تسخين}} = m \, c \, (T_b - T_i)$$ $$Q_{\text{تبخير}} = m \, L_v$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض بالقيم: 1. طاقة التسخين: $$Q_{\text{تسخين}} = (1.0) \times (140) \times (357 - 10.0)$$ $$Q_{\text{تسخين}} = 140 \times 347 = 48580 \, \text{J}$$ 2. طاقة التبخير: $$Q_{\text{تبخير}} = (1.0) \times (3.06 \times 10^5) = 3.06 \times 10^5 \, \text{J}$$ 3. الطاقة الكلية: $$Q = 48580 + 306000 = 354580 \, \text{J}$$ $$Q \approx 3.55 \times 10^5 \, \text{J}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن مقدار الطاقة اللازمة هو: **$3.55 \times 10^5 \, \text{J}$**

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

الإجابة: س 30: لأن طاقة الوضع تتحول لطاقة حركة ثم لطاقة حرارية بسبب الاحتكاك واللزوجة، فترتفع حرارة الماء بالقاع.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لنفهم هذا السؤال: الماء في قمة الشلال يملك **طاقة وضع** بسبب ارتفاعه عن القاع. عندما يسقط، تتحول طاقة الوضع هذه إلى **طاقة حركة** (سرعة الماء تزداد). أثناء سقوط الماء، يحدث احتكاك بين جزيئات الماء نفسها وبين الماء والهواء والصخور. هذا الاحتكاك، بالإضافة إلى اللزوجة الداخلية للسائل، يؤدي إلى تبديد جزء من الطاقة الحركية وتحويلها إلى **طاقة حرارية** داخل الماء. لذلك، عند وصول الماء إلى القاع، تكون درجة حرارته أعلى قليلاً مما كانت عليه في القمة، لأن جزءاً من طاقة وضعه الأصلية تحول إلى حرارة. هذا هو الفرق الذي توقع جول قياسه. إذن الإجابة هي: **لأن طاقة الوضع تتحول لطاقة حركة ثم لطاقة حرارية بسبب الاحتكاك واللزوجة، فترتفع حرارة الماء بالقاع.**

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

الإجابة: س 31: لأن التصادم غير مرن؛ فتتحول طاقة الحركة لطاقة داخلية (حرارة) في الرصاص والمطرقة بسبب التشوه والاحتكاك.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** الفكرة هنا هي فهم تحول الطاقة في التصادم. المطرقة تتحرك ولها **طاقة حركة** كبيرة بسبب كتلتها وسرعتها. عندما تضرب قالب الرصاص، يحدث تصادم **غير مرن**، أي أن المطرقة والرصاص لا يرتدان بل يتوقفان أو يتحركان معاً بعد الاصطدام. في التصادم غير المرن، لا تتحفظ الطاقة الحركية. بدلاً من ذلك، تتحول معظم الطاقة الحركية الأولية للمطرقة إلى أشكال أخرى من الطاقة داخل الأجسام المتصادمة. هنا، تتحول إلى **طاقة داخلية**، والتي تظهر بشكل رئيسي كحرارة. مصادر هذه الحرارة هما: 1. **التشوه**: قالب الرصاص يتشوه عند الضربة. 2. **الاحتكاك الداخلي**: بين جزيئات الرصاص وبين الرصاص والمطرقة عند نقطة الاصطدام. هذه الطاقة الحرارية ترفع درجة حرارة الرصاص (والمطرقة أيضاً لكن القياس كان للرصاص). لذلك نلاحظ زيادة في درجة حرارة القالب بمقدار $5.0^\circ \text{C}$. إذن الإجابة هي: **لأن التصادم غير مرن؛ فتتحول طاقة الحركة لطاقة داخلية (حرارة) في الرصاص والمطرقة بسبب التشوه والاحتكاك.**

سؤال 32: الطاقة الميكانيكية والطاقة الحرارية تتدفق مياه شلال يرتفع 125.0 m كما في الشكل 18-6. احسب الفرق في درجة حرارة الماء بين قمة الشلال وقاعه إذا تحولت كل طاقة وضع الماء إلى طاقة حرارية.

الإجابة: س 32: $mgh = mc\Delta T$ $\Delta T = \frac{gh}{c} \approx 0.29^\circ$ الإجابة: $0.29^\circ C$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات والفكرة):** لنحدد ما لدينا: - ارتفاع الشلال: $h = 125.0 \, \text{m}$ - تسارع الجاذبية: $g \approx 9.8 \, \text{m/s}^2$ (معلومة أساسية) - الحرارة النوعية للماء: $c \approx 4186 \, \text{J/(kg·°C)}$ (معلومة أساسية) الفكرة: طاقة الوضع للماء في القمة ($mgh$) تتحول بالكامل إلى طاقة حرارية ($mc\Delta T$) عند القاع، كما يفترض السؤال.
2. **الخطوة 2 (القانون):** نعادل طاقة الوضع مع الطاقة الحرارية الممتصة: $$mgh = mc\Delta T$$ نلاحظ أن الكتلة $m$ تختصر من الطرفين، فنحصل على: $$gh = c \Delta T$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** نعيد ترتيب المعادلة لحساب فرق درجة الحرارة $\Delta T$: $$\Delta T = \frac{gh}{c}$$ بالتعويض بالقيم: $$\Delta T = \frac{(9.8) \times (125.0)}{4186}$$ $$\Delta T = \frac{1225}{4186} \approx 0.2926$$ $$\Delta T \approx 0.29^\circ \text{C}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن الفرق في درجة حرارة الماء بين القمة والقاع هو: **$0.29^\circ \text{C}$**

سؤال 33: الإنتروبي لماذا ينتج عن تدفئة المنزل عن طريق الغاز الطبيعي زيادة في كمية الفوضى أو العشوائية؟

الإجابة: س 33: لأن الاحتراق يحوّل الطاقة الكيميائية لحرارة تتبدد وتنتشر، فيزداد إنتروبي النظام والكون.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن **الإنتروبي** هو مقياس للفوضى أو العشوائية في نظام ما. القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن الإنتروبي الكلي للكون يزداد في أي عملية حقيقية.
2. **الخطوة 2 (التطبيق على السؤال):** عند تدفئة المنزل بالغاز الطبيعي، تحدث عملية **احتراق**. في هذه العملية: 1. تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في روابط جزيئات الغاز (نظام مرتب) إلى طاقة حرارية. 2. هذه الحرارة تنتشر في أرجاء المنزل (الهواء، الجدران، الأثاث) وتتبدد في البيئة المحيطة. هذا الانتشار والتبدد يعني تحول الطاقة من شكل مركز (كيميائي) إلى شكل مشتت (حراري موزع في مساحة كبيرة)، مما يزيد من عشوائية توزيع الطاقة والجزيئات.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، يزداد إنتروبي النظام (المنزل والغاز) والكون المحيط به. وهذا هو سبب زيادة "كمية الفوضى أو العشوائية". إذن الإجابة هي: **لأن الاحتراق يحوّل الطاقة الكيميائية لحرارة تتبدد وتنتشر، فيزداد إنتروبي النظام والكون.**

سؤال 34: التفكير الناقد إذا كان لديك أربع مجموعات من بطاقات فهرسة، لكل مجموعة لون محدد. تحتوي كل مجموعة 20 ورقة مرقمة. فإذا خلطت بطاقات هذه المجموعات معا عدة مرات فهل يحتمل أن تعود البطاقات إلى ترتيبها الأصلي؟ وضح ذلك. وما القانون الفيزيائي الذي ينطبق عليه هذا المثال ؟

الإجابة: س 34: احتمال عودتها شبه معدوم لأن عدد الترتيبات العشوائية هائل (زيادة الإنتروبي) وفق القانون الثاني للديناميكا.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (تحليل الموقف والمفهوم):** لنفهم المثال: لدينا 4 مجموعات × 20 بطاقة = 80 بطاقة إجمالاً. في الترتيب الأصلي، البطاقات مرتبة (مثلاً: المجموعة الحمراء ثم الزرقاء... وكل مجموعة مرتبة من 1 إلى 20). هذا ترتيب **منظم جداً** (إنتروبي منخفض). عند خلط البطاقات، نخلطها عشوائياً عدة مرات. هذا يزيد من **الفوضى أو العشوائية** في ترتيب البطاقات (إنتروبي مرتفع).
2. **الخطوة 2 (توقع الاحتمال):** عدد الطرق الممكنة لترتيب 80 بطاقة مختلفه هو $80!$ (80 عاملي). هذا رقم هائل جداً. احتمال أن تعود البطاقات بالضبط إلى ترتيبها الأصلي الوحيد بعد خلط عشوائي هو $1 / 80!$، وهو احتمال **شبه معدوم** عملياً. يمكن القول إنه مستحيل من الناحية العملية.
3. **الخطوة 3 (القانون الفيزيائي والتوضيح):** هذا المثال يوضح **القانون الثاني للديناميكا الحرارية**، والذي ينص على أن الإنتروبي الكلي لنظام معزول يزداد بمرور الوقت، أو يبقى ثابتاً في العمليات المثالية العكوسة. الخلط العشوائي هو عملية حقيقية (غير عكوسة) تزيد الإنتروبي. العودة التلقائية للبطاقات إلى ترتيبها الأصلي المنظم تعني انخفاض الإنتروبي من تلقاء نفسه، وهو ما لا يحدث في العمليات الطبيعية وفق هذا القانون. إذن الإجابة هي: **احتمال عودتها شبه معدوم لأن عدد الترتيبات العشوائية هائل (زيادة الإنتروبي) وفق القانون الثاني للديناميكا.**

ما مبدأ تدفئة الغرفة في نظام التدفئة القديم الذي يستخدم بخار الماء الذي يتكثف في المبرد؟

• أ) البخار الساخن يرفع درجة حرارة الماء في الأنابيب مباشرة فيدفئ الغرفة.
• ب) تحدث تفاعلات كيميائية داخل المبرد تنتج حرارة تدفئ الغرفة.
• ج) يطلق البخار حرارته الكامنة للتبخر عند التكثف، وتنتقل هذه الحرارة إلى الغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.
• د) الطاقة الكامنة للماء المتكثف هي التي تنتقل مباشرة للغرفة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: يطلق البخار حرارته الكامنة للتبخر عند التكثف، وتنتقل هذه الحرارة إلى الغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.

الشرح: 1. يدخل البخار الساخن أنابيب المبرد. 2. يتكثف البخار (يتحول لماء) عند ملامسته جدران المبرد الباردة نسبيًا. 3. عند التكثف، يطلق البخار كمية كبيرة من الطاقة تسمى الحرارة الكامنة للتبخر. 4. تسخن جدران المبرد بهذه الحرارة. 5. تنتقل الحرارة من المبرد إلى هواء الغرفة بواسطة التوصيل والحمل والإشعاع، مما يؤدي لتدفئة الغرفة.

تلميح: فكر في تحول حالة البخار الساخن عند ملامسته سطحاً بارداً وكيف تنتشر الحرارة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

ما مقدار كمية الحرارة الكلية اللازمة لتحويل 50.0 g من الماء من 80.0°C إلى بخار عند 110.0°C؟ (القيم التقريبية: $c_w = 4186 \text{ J/(kg·°C)}$, $c_v = 2010 \text{ J/(kg·°C)}$, $L_v = 2.26 \times 10^6 \text{ J/kg}$)

• أ) $4.19 \times 10^3 \text{ J}$
• ب) $1.13 \times 10^5 \text{ J}$
• ج) $1.18 \times 10^5 \text{ J}$
• د) $1.01 \times 10^3 \text{ J}$

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: $1.18 \times 10^5 \text{ J}$

الشرح: 1. تسخين الماء من 80 إلى 100°C: $Q_1 = mc_w\Delta T = (0.05)(4186)(20) = 4186 \text{ J}$. 2. تبخير الماء عند 100°C: $Q_2 = mL_v = (0.05)(2.26 \times 10^6) = 113000 \text{ J}$. 3. تسخين البخار من 100 إلى 110°C: $Q_3 = mc_v\Delta T = (0.05)(2010)(10) = 1005 \text{ J}$. 4. الحرارة الكلية $Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 4186 + 113000 + 1005 = 118191 \text{ J} \approx 1.18 \times 10^5 \text{ J}$.

تلميح: تتضمن العملية ثلاث مراحل: تسخين الماء السائل، تبخير الماء، ثم تسخين البخار.

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: صعب

عند استخدام مطرقة لتحطيم قالب رصاص، لوحظ ارتفاع درجة حرارة القالب. ما التفسير الفيزيائي لزيادة درجة الحرارة هذه؟

• أ) الطاقة الكامنة للمطرقة تتحول مباشرة إلى حرارة داخل الرصاص.
• ب) تحدث تفاعلات نووية في الرصاص تسبب ارتفاع درجة الحرارة.
• ج) ضغط المطرقة يرفع درجة حرارة الرصاص بشكل مباشر.
• د) التصادم غير مرن، مما يؤدي لتحول طاقة الحركة إلى طاقة داخلية (حرارة) نتيجة التشوه والاحتكاك.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: التصادم غير مرن، مما يؤدي لتحول طاقة الحركة إلى طاقة داخلية (حرارة) نتيجة التشوه والاحتكاك.

الشرح: 1. المطرقة المتحركة تمتلك طاقة حركية. 2. عند اصطدامها بقالب الرصاص، يحدث تصادم غير مرن. 3. في التصادمات غير المرنة، لا تُحفظ الطاقة الحركية، بل تتحول إلى أشكال أخرى. 4. جزء كبير من هذه الطاقة يتحول إلى طاقة داخلية (حرارة) نتيجة تشوه قالب الرصاص والاحتكاك الداخلي بين الجزيئات. 5. هذه الطاقة الداخلية المضافة ترفع درجة حرارة الرصاص.

تلميح: فكر في نوع التصادم الذي يحدث بين المطرقة والرصاص وكيف تتحول الطاقة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

ما سبب اعتبار تدفئة المنزل بالغاز الطبيعي تزيد من الفوضى أو العشوائية في الكون وفقًا لمفهوم الإنتروبي؟

• أ) الغاز الطبيعي بطبيعته مادة عشوائية، وحرقه يزيد هذه العشوائية.
• ب) العملية عكوسة ويمكن إعادة ترتيب جزيئات الغاز بسهولة.
• ج) فقدان الحرارة من النوافذ والأبواب هو السبب الرئيسي لزيادة الإنتروبي.
• د) الاحتراق يحوّل الطاقة الكيميائية إلى حرارة تتبدد وتنتشر، مما يزيد من إنتروبي النظام والكون.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: الاحتراق يحوّل الطاقة الكيميائية إلى حرارة تتبدد وتنتشر، مما يزيد من إنتروبي النظام والكون.

الشرح: 1. الإنتروبي هو مقياس للفوضى/العشوائية. 2. احتراق الغاز الطبيعي يحول الطاقة الكيميائية المركزة إلى طاقة حرارية. 3. هذه الحرارة تنتشر وتتبدد في أرجاء المنزل والبيئة المحيطة به. 4. انتشار الطاقة وتشتتها يمثل زيادة في عشوائية توزيع الطاقة والجزيئات. 5. بالتالي، يزداد الإنتروبي الكلي للنظام (المنزل والغاز) والكون، متوافقاً مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

تلميح: تذكر تعريف الإنتروبي وعلاقته بانتشار الطاقة وتشتتها.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما هو احتمال أن تعود 80 بطاقة مُقسمة إلى أربع مجموعات (كل منها 20 بطاقة مرقمة بلون محدد) إلى ترتيبها الأصلي المنظم بعد خلطها عدة مرات، وأي قانون فيزيائي يصف هذا الاحتمال؟

• أ) احتمال كبير بسبب التكرار الدائم لعملية الخلط.
• ب) يمكن أن تعود إلى ترتيبها الأصلي بالصدفة وفقًا لقانون حفظ الطاقة.
• ج) مستحيل تمامًا أن تعود، وهذا ما يفسره القانون الأول للديناميكا الحرارية.
• د) الاحتمال شبه معدوم بسبب العدد الهائل للترتيبات العشوائية، ويوصف ذلك بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية (زيادة الإنتروبي).

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: الاحتمال شبه معدوم بسبب العدد الهائل للترتيبات العشوائية، ويوصف ذلك بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية (زيادة الإنتروبي).

الشرح: 1. الترتيب الأصلي للبطاقات هو حالة منظمة (إنتروبي منخفض). 2. خلط البطاقات عشوائياً يزيد من الفوضى (يزيد الإنتروبي). 3. عدد الترتيبات الممكنة لـ 80 بطاقة هو $80!$، وهو رقم هائل جداً. 4. احتمال العودة إلى ترتيب واحد محدد من بين هذا العدد الضخم هو شبه معدوم عملياً. 5. هذا يتفق مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي ينص على أن الإنتروبي الكلي لنظام معزول يميل إلى الازدياد، مما يعني أن النظام يتجه نحو حالات أكثر عشوائية وأقل ترتيباً.

تلميح: فكر في عدد الترتيبات الممكنة للبطاقات وعلاقة ذلك بالإنتروبي.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

في نظام تدفئة قديم يستخدم البخار، كيف يساهم تكثف البخار داخل المبرد في تدفئة الغرفة؟

• أ) يبرد البخار ببطء داخل الأنابيب، مما يخفض درجة حرارة الهواء المحيط تدريجياً.
• ب) عند تكثف البخار يطلق الحرارة الكامنة للتبخر التي كانت مخزنة فيه، فتسخن جدران المبرد وتنتقل الحرارة للغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.
• ج) يحدث البخار ضغطاً داخل الأنابيب، وهذا الضغط يولد حرارة عن طريق الاحتكاك.
• د) يتحول البخار إلى ماء، وتنتقل حرارة الماء فقط إلى الغرفة عن طريق التوصيل.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: عند تكثف البخار يطلق الحرارة الكامنة للتبخر التي كانت مخزنة فيه، فتسخن جدران المبرد وتنتقل الحرارة للغرفة بالتوصيل والحمل والإشعاع.

الشرح: 1. البخار الساخن يدخل أنابيب المبرد. 2. عند ملامسته للجدران الباردة نسبياً، يتكثف (يتحول من غاز إلى ماء). 3. خلال التكثف، يطلق البخار الحرارة الكامنة للتبخر الكبيرة التي كان يحتاجها ليصبح بخاراً. 4. هذه الحرارة تسخن جدران المبرد. 5. تنتقل الحرارة من المبرد إلى هواء الغرفة بطرق انتقال الحرارة الثلاث.

تلميح: فكر في الطاقة المنطلقة عند تغير حالة المادة من غاز إلى سائل.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما القانون الفيزيائي الذي يفسر تحول الطاقة الحركية للمطرقة إلى حرارة ترفع درجة حرارة قالب الرصاص عند الاصطدام؟

• أ) قانون حفظ الطاقة الحركية في التصادمات المرنة.
• ب) قانون تحول الطاقة في التصادم غير المرن، حيث تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة داخلية (حرارة) بسبب التشوه والاحتكاك.
• ج) قانون نيوتن الثالث (الفعل ورد الفعل) الذي يولد حرارة عند التلامس.
• د) قانون الجاذبية الذي يحول الطاقة الوضعية للمطرقة إلى حرارة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تحول الطاقة في التصادم غير المرن، حيث تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة داخلية (حرارة) بسبب التشوه والاحتكاك.

الشرح: 1. التصادم بين المطرقة والرصاص هو تصادم غير مرن. 2. في التصادم غير المرن، لا تتحفظ الطاقة الحركية الكلية للنظام. 3. بدلاً من ذلك، تتحول معظم الطاقة الحركية الأولية إلى أشكال أخرى من الطاقة. 4. في هذه الحالة، تتحول إلى طاقة داخلية تظهر كحرارة بسبب التشوه الداخلي للرصاص والاحتكاك بين الجزيئات.

تلميح: ما نوع التصادم الذي لا تتحفظ فيه الطاقة الحركية؟

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

لماذا يؤدي تدفئة المنزل بالغاز الطبيعي إلى زيادة الإنتروبي (العشوائية)؟

• أ) لأن الغاز الطبيعي مادة غير نقية، مما يزيد الفوضى الكيميائية عند احتراقه.
• ب) لأن حرق الغاز يطلق غازات جديدة تزيد من عشوائية تكوين الهواء.
• ج) لأن عملية الاحتراق تحول الطاقة الكيميائية المركزة (مرتبة) في الغاز إلى طاقة حرارية مشتتة (عشوائية) تنتشر في البيئة، مما يزيد من عشوائية توزيع الطاقة.
• د) لأن الحرارة الناتجة تجعل جزيئات الهواء تتحرك بشكل أبطأ وأكثر انتظاماً.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: لأن عملية الاحتراق تحول الطاقة الكيميائية المركزة (مرتبة) في الغاز إلى طاقة حرارية مشتتة (عشوائية) تنتشر في البيئة، مما يزيد من عشوائية توزيع الطاقة.

الشرح: 1. الغاز الطبيعي يحتوي على طاقة كيميائية مخزنة في روابط جزيئية (نظام منظم). 2. عند الاحتراق، تتحول هذه الطاقة إلى حرارة. 3. الحرارة تنتشر وتتبدد في أرجاء المنزل والبيئة المحيطة. 4. هذا الانتشار والتبدد يعني تحول الطاقة من شكل مركز ومنظم إلى شكل مشتت وعشوائي. 5. وفق القانون الثاني للديناميكا الحرارية، هذه العملية تزيد الإنتروبي الكلي للنظام والكون.

تلميح: فكر في تحول الطاقة من شكل مرتب إلى شكل مشتت.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

ما القانون الفيزيائي الذي يوضحه مثال خلط مجموعات البطاقات المرقمة وعدم عودتها تلقائياً للترتيب الأصلي؟

• أ) قانون حفظ الطاقة، لأن الطاقة المستخدمة في الخلط تتحول إلى طاقة حرارية.
• ب) قانون نيوتن الأول للحركة، لأن البطاقات تبقى في حالة حركة عشوائية.
• ج) القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن الإنتروبي (العشوائية) لنظام معزول يزداد بمرور الوقت في العمليات الطبيعية.
• د) قانون الجذب العام، لأن البطاقات تنجذب نحو حالة الفوضى.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: القانون الثاني للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أن الإنتروبي (العشوائية) لنظام معزول يزداد بمرور الوقت في العمليات الطبيعية.

الشرح: 1. الترتيب الأصلي للبطاقات يمثل حالة منظمة (إنتروبي منخفض). 2. الخلط العشوائي يزيد من الفوضى في الترتيب (يزيد الإنتروبي). 3. العودة التلقائية للترتيب الأصلي تعني انخفاض الإنتروبي من تلقاء نفسه. 4. القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينص على أن الإنتروبي الكلي لنظام معزول يزداد في العمليات الطبيعية الحقيقية. 5. لذلك، احتمال عودة البطاقات للترتيب الأصلي تلقائياً شبه معدوم.

تلميح: ما القانون الذي يتعلق باتجاه العمليات الطبيعية وزيادة العشوائية؟

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب