صفحة 197 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 72.a: حل ثم استنتج ينتج 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؟

الإجابة: $Δ S_{H} = \frac{-50.0}{545} = -0.0917 \text{ J/K}$ $Δ S_{L} = \frac{40.0}{325} = 0.123 \text{ J/K}$ $Δ S_{total} = Δ S_{H} + Δ S_{L}$ $= -0.0917 + 0.123 = 0.0313 \text{ J/K}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد المعطيات المتوفرة لدينا: - الطاقة المستمدة من المستودع الحار: $Q_H = 50.0 \text{ J}$ - درجة حرارة المستودع الحار: $T_H = 545 \text{ K}$ - الطاقة المطرودة للمستودع البارد: $Q_L = 40.0 \text{ J}$ - درجة حرارة المستودع البارد: $T_L = 325 \text{ K}$
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون تغير الإنتروبي: $$\Delta S = \frac{Q}{T}$$ علماً أن الإنتروبي ينقص في المستودع الذي يفقد حرارة، ويزداد في المستودع الذي يكتسب حرارة.
3. **الخطوة 3 (الحل):** نحسب تغير الإنتروبي لكل مستودع: - للمستودع الحار (فقد حرارة): $\Delta S_H = \frac{-50.0}{545} = -0.0917 \text{ J/K}$ - للمستودع البارد (اكتسب حرارة): $\Delta S_L = \frac{40.0}{325} = 0.123 \text{ J/K}$ التغير الكلي هو مجموع التغيرين: $$\Delta S_{total} = -0.0917 + 0.123 = 0.0313 \text{ J/K}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن، يعمل المحرك على زيادة الإنتروبي الكلي للمستودعين بمقدار **$0.0313 \text{ J/K}$**

سؤال 72.b: حل ثم استنتج ينتج 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. b. ماذا سيكون تغير الإنتروبي الكلي في المستودعين إذا كانت TL = 205 K؟

الإجابة: $Δ S_{L} = \frac{40.0}{205} = 0.195 \text{ J/K}$ $Δ S_{total} = Δ S_{H} + Δ S_{L}$ $= -0.0917 + 0.195 = 0.103 \text{ J/K}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات الجديدة):** سنبقي على قيم المستودع الحار كما هي، ونغير فقط درجة حرارة المستودع البارد: - درجة حرارة المستودع البارد الجديدة: $T_L = 205 \text{ K}$ - تغير إنتروبي المستودع الحار (من الفقرة السابقة): $\Delta S_H = -0.0917 \text{ J/K}$
2. **الخطوة 2 (الحل):** نحسب تغير الإنتروبي الجديد للمستودع البارد: $$\Delta S_L = \frac{40.0}{205} = 0.195 \text{ J/K}$$ ثم نحسب التغير الكلي الجديد: $$\Delta S_{total} = -0.0917 + 0.195 = 0.103 \text{ J/K}$$
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن، تغير الإنتروبي الكلي في هذه الحالة هو **$0.103 \text{ J/K}$**

سؤال 73: حل 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؟

الإجابة: $Q = 30.0 \times 3600 = 1.08 \times 10^5 \text{ J}$ $m = \frac{Q}{L_v} = \frac{1.08 \times 10^5}{2.26 \times 10^6} = 48 \text{ g}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد المعطيات: - القدرة (معدل الطاقة): $P = 30.0 \text{ W}$ (جول لكل ثانية) - الزمن: $t = 1 \text{ h} = 3600 \text{ s}$ - الحرارة الكامنة لتبخر الماء (العرق): $L_v = 2.26 \times 10^6 \text{ J/kg}$
2. **الخطوة 2 (القانون):** أولاً نحسب كمية الحرارة الكلية المطلوب تبديدها: $$Q = P \times t$$ ثم نستخدم قانون الحرارة الكامنة لإيجاد الكتلة: $$Q = m \times L_v \implies m = \frac{Q}{L_v}$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** حساب الطاقة الكلية: $$Q = 30.0 \times 3600 = 1.08 \times 10^5 \text{ J}$$ حساب كتلة العرق: $$m = \frac{1.08 \times 10^5}{2.26 \times 10^6} \approx 0.0478 \text{ kg}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بتحويل الكتلة إلى جرامات (ضرب في 1000)، نجد أن مقدار العرق المطلوب تبخره هو **$48 \text{ g}$** تقريباً.

سؤال 74: حل ثم استنتج يستخدم الكيميائيون المسعر لقياس كمية الحرارة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية. فعلى سبيل المثال، يذيب كيميائي $1.0 \times 10^{22}$ جزيئًا من مسحوق مادة في مسعر يحتوي 0.5 kg من الماء، فتتحطم الجزيئات وتتحرر طاقة ربطها ليمتصها الماء، فتزداد درجة حرارة الماء إلى $2.3^\circ \text{C}$. ما مقدار طاقة الربط لكل جزيء مع هذه المادة؟

الإجابة: $m_{water} = 0.5 \text{ kg}$ $Δ T = 2.3^\circ \text{C}$ $Q = mcΔ T = 0.5 \times 4180 \times 2.3 = 4.81 \times 10^3 \text{ J}$ الطاقة لكل جزيء: $E = \frac{Q}{N} = \frac{4.81 \times 10^3}{1.0 \times 10^{22}} = 4.81 \times 10^{-19} \text{ J}$ $E = \frac{4.81 \times 10^{-19}}{1.6 \times 10^{-19}} = 3.0 \text{ eV}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - عدد الجزيئات: $N = 1.0 \times 10^{22}$ - كتلة الماء: $m = 0.5 \text{ kg}$ - التغير في درجة الحرارة: $\Delta T = 2.3^\circ \text{C}$ - الحرارة النوعية للماء: $c = 4180 \text{ J/kg}\cdot^\circ \text{C}$
2. **الخطوة 2 (القانون):** نحسب أولاً إجمالي الطاقة التي امتصها الماء: $$Q = m c \Delta T$$ ثم نقسم هذه الطاقة على عدد الجزيئات لإيجاد طاقة الربط للجزيء الواحد.
3. **الخطوة 3 (الحل):** حساب الطاقة الكلية: $$Q = 0.5 \times 4180 \times 2.3 = 4807 \text{ J}$$ حساب الطاقة لكل جزيء: $$E = \frac{4807}{1.0 \times 10^{22}} = 4.81 \times 10^{-19} \text{ J}$$ لتحويلها إلى إلكترون فولت (eV)، نقسم على شحنة الإلكترون ($1.6 \times 10^{-19}$): $$E = \frac{4.81 \times 10^{-19}}{1.6 \times 10^{-19}} \approx 3.0 \text{ eV}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن مقدار طاقة الربط لكل جزيء هو **$3.0 \text{ eV}$**

سؤال 75: تطبيق المفاهيم تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض. حيث تكون درجة حرارة سطح الشمس $10^4 \text{ K}$ تقريبًا. ماذا يحدث للعالم لو كانت درجة حرارة سطح الشمس $10^3 \text{ K}$؟

الإجابة: $T^4$ القدرة الإشعاعية تتناسب مع الفيض الحراري 10 مرات يعني انخفاض الإشعاع $10^4$ مرة (10000) النتيجة: تتجمد الأرض وتستحيل الحياة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** نتذكر أن القدرة الإشعاعية للأجسام (مثل الشمس) تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها المطلقة وفق قانون ستيفان-بولتزمان ($P \propto T^4$).
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** إذا انخفضت درجة حرارة سطح الشمس من $10^4 \text{ K}$ إلى $10^3 \text{ K}$، فهذا يعني أنها انخفضت بمقدار 10 مرات. وبما أن التناسب مع القوة الرابعة، فإن الإشعاع الواصل للأرض سينخفض بمقدار $10^4$ أي 10,000 مرة.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** هذا الانخفاض الهائل في الطاقة سيؤدي إلى تجمد كوكب الأرض تماماً، مما يجعل الحياة مستحيلة عليها. لذا الإجابة هي: **تتجمد الأرض وتستحيل الحياة.**

سؤال 76: 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 بدلاً من ثومسون؟

الإجابة: نعم، من الإنصاف تسمية وحدة الطاقة بالجول؛ لأنه قام بالعديد من التجارب التي أثبتت أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة، وأن الشغل يمكن أن يتحول إلى حرارة، والعكس صحيح. أما ثومسون فقد أثبت أن الحرارة ليست مادة، بل هي حركة جزيئات. لذلك، فإن جول يستحق أن تسمى وحدة الطاقة باسمه.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لتقييم هذا الأمر، يجب أن ننظر إلى إسهامات كل عالم. بنجامين ثومسون (كونت رمفورد) أثبت من خلال تجاربه في ثقب المدافع أن الحرارة ليست مادة سائلة (كالوريك) كما كان يعتقد سابقاً، بل هي ناتجة عن الحركة. أما جيمس جول، فقد ذهب إلى أبعد من ذلك؛ حيث قام بتجارب دقيقة جداً لقياس "المكافئ الميكانيكي للحرارة"، وأثبت كمياً أن مقداراً محدداً من الشغل يتحول دائماً إلى مقدار محدد من الحرارة، مما وضع حجر الأساس لقانون حفظ الطاقة. وبما أن جول هو من قدم القياسات الكمية الدقيقة التي ربطت الشغل بالحرارة بشكل رياضي، فمن الإنصاف تسمية وحدة الطاقة باسمه. إذن الإجابة هي: **نعم، من الإنصاف ذلك لأن تجارب جول أثبتت كمياً أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة.**

سؤال 77: 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؟

الإجابة: إذا كانت خصائص الماء الحرارية مثل خصائص المواد الأخرى كالميثانول، فإن ذلك سيؤدي إلى: 1- تغيرات سريعة في درجة حرارة الماء. 2- تجمد الماء بسرعة أكبر. 3- تبخر الماء بسرعة أكبر. 4- عدم استقرار المناخ. 5- عدم وجود دورة مياه مستقرة. 6- عدم وجود حياة على الأرض.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** تعتبر الخصائص الحرارية الفريدة للماء (مثل الحرارة النوعية العالية والحرارة الكامنة الكبيرة) هي المنظم الرئيسي للمناخ على كوكب الأرض؛ فهي تسمح للمحيطات بامتصاص كميات هائلة من الحرارة دون تغير كبير في درجة حرارتها. لو كانت خصائص الماء مثل الميثانول (الذي يمتلك حرارة نوعية وكامنة أقل بكثير)، لشهدنا تقلبات حرارية عنيفة وسريعة جداً بين الليل والنهار وبين الفصول. كما أن البحار ستتجمد وتتبخر بسرعة أكبر بكثير، مما يدمر دورة المياه المستقرة ويجعل البيئة غير صالحة لنمو واستمرار الكائنات الحية. إذن النتيجة هي: **عدم استقرار المناخ، وتغيرات حرارية حادة، واستحالة وجود حياة مستقرة كما نعرفها.**

سؤال 78: ترفع رافعة كتلة مقدارها 180 kg إلى ارتفاع 1.95 m. ما مقدار الشغل الذي تبذله الرافعة لرفع الكتلة؟ (الفصل 4)

الإجابة: $W = mgh = 180 \times 9.8 \times 1.95 = 3.44 \times 10^3 \text{ J}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد ما لدينا: - الكتلة: $m = 180 \text{ kg}$ - الارتفاع: $h = 1.95 \text{ m}$ - تسارع الجاذبية: $g = 9.8 \text{ m/s}^2$
2. **الخطوة 2 (القانون):** الشغل المبذول لرفع جسم رأسياً يساوي التغير في طاقة وضعه: $$W = mgh$$
3. **الخطوة 3 (الحل):** بالتعويض في القانون: $$W = 180 \times 9.8 \times 1.95 = 3439.8 \text{ J}$$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن مقدار الشغل هو **$3.44 \times 10^3 \text{ J}$** تقريباً.

سؤال 79: 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 متوسطة 0.2 kW، فكم صخرة خلال 1 h يستطيع أن يدحرج إلى أعلى التل؟ (الفصل 5)

الإجابة: $W = mgh = 215 \times 9.8 \times 33 = 6.95 \times 10^4 \text{ J}$ الطاقة الكلية المدحرجة: $E = Pt = 0.2 \times 10^3 \times 3600 = 7.2 \times 10^5 \text{ J}$ عدد الصخور: $n = \frac{E}{W} = \frac{7.2 \times 10^5}{6.95 \times 10^4} \approx 10.4 \approx 10$ صخور

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** - كتلة الصخرة الواحدة: $m = 215 \text{ kg}$ - الارتفاع: $h = 33 \text{ m}$ - القدرة المتوسطة: $P = 0.2 \text{ kW} = 200 \text{ W}$ - الزمن: $t = 1 \text{ h} = 3600 \text{ s}$
2. **الخطوة 2 (القوانين):** أولاً: نحسب الشغل اللازم لدحرجة صخرة واحدة: $$W_{rock} = mgh$$ ثانياً: نحسب إجمالي الطاقة التي يمكن للمشارك توليدها خلال ساعة: $$E_{total} = P \times t$$ ثالثاً: نقسم الطاقة الكلية على شغل الصخرة الواحدة لإيجاد عدد الصخور.
3. **الخطوة 3 (الحل):** - شغل الصخرة: $W = 215 \times 9.8 \times 33 = 69531 \text{ J}$ - الطاقة الكلية: $E = 200 \times 3600 = 720000 \text{ J}$ - عدد الصخور: $n = \frac{720000}{69531} \approx 10.35$
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** بما أنه لا يمكن إكمال دحرجة صخرة إضافية جزئياً، فإن عدد الصخور الكاملة التي يستطيع دحرجتها هو **10 صخور**.

ينتج 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. كيف يعمل المحرك على تغيير الإنتروبي الكلي للمستودعين؟

• أ) 0.2147 J/K
• ب) -0.0804 J/K
• ج) 0.0454 J/K
• د) 0.0313 J/K

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: 0.0313 J/K

الشرح: ١. احسب تغير الإنتروبي للمستودع الحار: ΔS_H = Q_H / T_H = -50.0 J / 545 K ≈ -0.0917 J/K. ٢. احسب تغير الإنتروبي للمستودع البارد: ΔS_L = Q_L / T_L = 40.0 J / 325 K ≈ 0.123 J/K. ٣. احسب التغير الكلي في الإنتروبي: ΔS_total = ΔS_H + ΔS_L = -0.0917 + 0.123 = 0.0313 J/K.

تلميح: تذكر أن تغير الإنتروبي (ΔS) يُحسب من خلال قسمة الحرارة المنقولة (Q) على درجة الحرارة المطلقة (T) للمستودع (ΔS = Q/T)، مع مراعاة إشارة الحرارة (سالبة للفقد، موجبة للاكتساب).

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط

تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض. حيث تكون درجة حرارة سطح الشمس 10⁴ K تقريبًا. ماذا يحدث للعالم لو كانت درجة حرارة سطح الشمس 10³ K؟

• أ) تتجمد الأرض وتستحيل الحياة.
• ب) تنخفض درجة حرارة الأرض قليلاً وتصبح الحياة أصعب.
• ج) تزداد درجة حرارة الأرض وتتبخر المحيطات.
• د) لا يحدث تغيير كبير على المناخ العالمي.

الإجابة الصحيحة: a

الإجابة: تتجمد الأرض وتستحيل الحياة.

الشرح: وفقًا لقانون ستيفان-بولتزمان، تتناسب القدرة الإشعاعية (P) طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة (T⁴). إذا انخفضت درجة حرارة الشمس من 10⁴ K إلى 10³ K، فإنها تنخفض بمقدار 10 مرات. وبالتالي، فإن الإشعاع الواصل للأرض سينخفض بمقدار (10)⁴ = 10,000 مرة، مما سيؤدي إلى تجمد كوكب الأرض واستحالة الحياة عليها.

تلميح: تذكر علاقة القدرة الإشعاعية لسطح الجسم بدرجة حرارته المطلقة (قانون ستيفان-بولتزمان).

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

هل من الإنصاف تسمية وحدة الطاقة بالجول بدلاً من ثومسون (كونت رمفورد)؟ وما هو السبب الرئيسي لذلك؟

• أ) لا، لأن تجارب ثومسون كانت أولية وفتحت الباب لفهم الحرارة بشكل أعمق.
• ب) نعم، لأنه أثبت كمياً أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة، وقدم قياسات دقيقة للمكافئ الميكانيكي للحرارة.
• ج) نعم، لكن السبب الرئيسي كان اكتشافه أن الحرارة ناتجة عن حركة الجزيئات.
• د) لا، كان يجب تسمية الوحدة باسم ثومسون لأنه كان أول من ربط الحرارة بالشغل.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: نعم، لأنه أثبت كمياً أن الحرارة شكل من أشكال الطاقة، وقدم قياسات دقيقة للمكافئ الميكانيكي للحرارة.

الشرح: 1. بنجامين ثومسون (كونت رمفورد) أثبت أن الحرارة ناتجة عن حركة الجزيئات وليست مادة. 2. جيمس جول قام بتجارب دقيقة لقياس المكافئ الميكانيكي للحرارة، مؤكداً كمياً أن الشغل يتحول إلى حرارة. 3. إسهامات جول الكمية والدقيقة في الربط بين الشغل والحرارة هي السبب الرئيسي لتسمية وحدة الطاقة باسمه.

تلميح: تذكر إسهامات كل من بنجامين ثومسون (كونت رمفورد) وجيمس جول في فهم طبيعة الحرارة وعلاقتها بالشغل.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط

ماذا سيحدث للعالم إذا كانت خصائص الماء الحرارية (كالحرارة النوعية والحرارة الكامنة) مثل خصائص المواد الأخرى كالميثانول؟

• أ) ستصبح المحيطات أكثر دفئاً بشكل دائم ومستقر.
• ب) ستشهد الأرض تقلبات حرارية عنيفة وسريعة، وتجمد وتبخر سريع للبحار، مما يؤدي إلى عدم استقرار المناخ واستحالة الحياة المستقرة.
• ج) ستزداد خصوبة التربة وتتنوع الكائنات الحية بفضل سرعة التبخر.
• د) لن تتأثر الحياة كثيراً، فالكائنات تتكيف مع أي ظروف.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: ستشهد الأرض تقلبات حرارية عنيفة وسريعة، وتجمد وتبخر سريع للبحار، مما يؤدي إلى عدم استقرار المناخ واستحالة الحياة المستقرة.

الشرح: 1. الخصائص الحرارية العالية للماء (حرارة نوعية وحرارة كامنة) تعمل كمنظم طبيعي لدرجة حرارة الأرض. 2. إذا كانت هذه الخصائص منخفضة كالميثانول، فإن الماء سيسخن ويبرد ويتجمد ويتبخر بسرعة أكبر بكثير. 3. هذا سيؤدي إلى تقلبات حرارية حادة، ودورة مياه غير مستقرة، مما يجعل الظروف غير مواتية للحياة كما نعرفها.

تلميح: تذكر الدور الحيوي للخصائص الحرارية الفريدة للماء في تنظيم درجة حرارة الأرض والمناخ.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

ترفع رافعة كتلة مقدارها 180 kg إلى ارتفاع 1.95 m. ما مقدار الشغل الذي تبذله الرافعة لرفع الكتلة؟ (افترض تسارع الجاذبية g = 9.8 m/s²)

• أ) 3.51 × 10² J
• ب) 1.76 × 10³ J
• ج) 3.44 × 10³ J
• د) 3.51 × 10³ J

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: 3.44 × 10³ J

الشرح: 1. لحساب الشغل المبذول لرفع كتلة ضد الجاذبية، نستخدم القانون: W = mgh. 2. بالتعويض بالقيم المعطاة: W = 180 kg × 9.8 m/s² × 1.95 m. 3. الشغل W = 3439.8 J. 4. بتقريب الناتج: W ≈ 3.44 × 10³ J.

تلميح: تذكر قانون الشغل المبذول لرفع جسم ضد الجاذبية.

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط

تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض، وتكون درجة حرارة سطحها تقريبًا $10^4$ K. ماذا سيحدث للحياة على كوكب الأرض لو انخفضت درجة حرارة سطح الشمس لتصبح $10^3$ K؟

• أ) ينخفض الإشعاع بمقدار 10 مرات فقط وتبرد الأرض قليلاً دون أن تتجمد.
• ب) ينخفض الإشعاع بمقدار 100 مرة وتتجمد المسطحات المائية القريبة من الأقطاب فقط.
• ج) ينخفض الإشعاع بمقدار 10,000 مرة، مما يؤدي لتجمد الأرض واستحالة الحياة.
• د) يزداد الإشعاع المنبعث نتيجة انخفاض كثافة سطح الشمس مما يؤدي لاحتراق الغلاف الجوي.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: ينخفض الإشعاع بمقدار 10,000 مرة، مما يؤدي لتجمد الأرض واستحالة الحياة.

الشرح: ١. القدرة الإشعاعية تتناسب مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة ($P \propto T^4$). ٢. انخفاض الحرارة من $10^4$ K إلى $10^3$ K يعني أنها انخفضت بمعامل 10. ٣. التغير في الإشعاع يكون ($10^4$) أي 10,000 مرة. ٤. هذا النقص الهائل في الطاقة الشمسية سيؤدي إلى تجمد الأرض بالكامل واستحالة بقاء الكائنات الحية.

تلميح: تذكر أن القدرة الإشعاعية تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة (قانون ستيفان-بولتزمان).

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

تعد الشمس مصدر الطاقة الرئيس للأرض، وتبلغ درجة حرارة سطحها تقريباً 10⁴ K. ماذا سيحدث للحياة على كوكب الأرض لو انخفضت درجة حرارة سطح الشمس لتصبح 10³ K؟

• أ) تزداد درجة حرارة الأرض وتغلي المحيطات نتيجة انخفاض الطول الموجي للإشعاع.
• ب) تتجمد الأرض وتستحيل الحياة عليها بسبب انخفاض القدرة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة.
• ج) تنخفض حرارة الأرض بمقدار 10 درجات فقط ويستمر التوازن الحراري بفضل الغلاف الجوي.
• د) يزداد الفيض الحراري الواصل للأرض بمقدار 100 مرة مما يسرع من عمليات الأيض.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تتجمد الأرض وتستحيل الحياة عليها بسبب انخفاض القدرة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة.

الشرح: ١. القدرة الإشعاعية للأجسام تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها المطلقة (P ∝ T⁴). ٢. انخفاض الحرارة من 10⁴ إلى 10³ يعني انخفاضها بمقدار 10 مرات. ٣. التأثير على الإشعاع يكون بمقدار (10)⁴، أي 10 × 10 × 10 × 10 = 10,000 مرة. ٤. هذا النقص الهائل في الطاقة الواردة سيؤدي إلى تجمد الكوكب تماماً وفناء الحياة.

تلميح: تذكر علاقة التناسب بين القدرة الإشعاعية للجسم الأسود ودرجة حرارته المطلقة (قانون ستيفان-بولتزمان).

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

تعد الشمس مصدر جميع أشكال الطاقة على الأرض، حيث تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 10⁴ K. ماذا سيحدث لكوكب الأرض لو انخفضت درجة حرارة سطح الشمس لتصبح 10³ K؟

• أ) تتجمد الأرض وتستحيل الحياة عليها بسبب انخفاض القدرة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة.
• ب) تنخفض درجة حرارة الأرض بمقدار 10 مرات فقط تماشياً مع انخفاض حرارة الشمس.
• ج) تبرد الأرض بمقدار 100 مرة فقط بناءً على قانون التربيع العكسي للمسافات.
• د) لا تتأثر الحياة على الأرض نظراً لقدرة الغلاف الجوي على حبس الحرارة الموجودة مسبقاً.

الإجابة الصحيحة: a

الإجابة: تتجمد الأرض وتستحيل الحياة عليها بسبب انخفاض القدرة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة.

الشرح: ١. القدرة الإشعاعية تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة وفق قانون ستيفان-بولتزمان (P ∝ T⁴). ٢. انخفاض درجة الحرارة من 10⁴ K إلى 10³ K يعني أنها انخفضت بمقدار 10 مرات. ٣. النقص في الطاقة الإشعاعية يساوي (10)⁴ = 10,000 مرة. ٤. هذا الانخفاض الهائل في الطاقة سيؤدي إلى تجمد كوكب الأرض تماماً واستحالة الحياة عليه.

تلميح: فكر في العلاقة بين القدرة الإشعاعية للجسم ودرجة حرارته المطلقة مرفوعة للقوة الرابعة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

تعد الشمس مصدر الطاقة للأرض، ودرجة حرارة سطحها 10⁴ K تقريباً. استناداً إلى قوانين الإشعاع، ماذا يحدث لكوكب الأرض لو انخفضت درجة حرارة سطح الشمس إلى 10³ K؟

• أ) تنخفض الطاقة الإشعاعية بمقدار 10 مرات فقط ويصبح المناخ أبرد قليلاً.
• ب) تنخفض الطاقة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة، مما يؤدي لتجمد الأرض واستحالة الحياة.
• ج) تزداد الطاقة الإشعاعية نتيجة تركز الإشعاع في أطوال موجية أقصر.
• د) تنخفض الطاقة الإشعاعية بمقدار 100 مرة وتستمر الحياة في المناطق الاستوائية فقط.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تنخفض الطاقة الإشعاعية بمقدار 10,000 مرة، مما يؤدي لتجمد الأرض واستحالة الحياة.

الشرح: ١. القدرة الإشعاعية للأجسام تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة المطلقة وفق قانون ستيفان-بولتزمان. ٢. انخفاض الحرارة من 10⁴ K إلى 10³ K يعني انخفاضاً بمقدار 10 مرات. ٣. بما أن التناسب مع القوة الرابعة، فإن الإشعاع ينخفض بمقدار (10)⁴ أي 10,000 مرة. ٤. هذا الانخفاض الهائل في الطاقة الواردة سيؤدي حتماً إلى تجمد كوكب الأرض تماماً واستحالة استمرار الحياة.

تلميح: تذكر أن القدرة الإشعاعية للأجسام تتناسب طردياً مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها المطلقة (P ∝ T⁴).

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب