القسم ٤
الحرارة وحالات المادة
Heat & States of Matter
الحرارة ودرجة الحرارة والاتزان الحراري، مقاييس الحرارة، الحرارة النوعية Q=m·c·ΔT، طرق انتقال الحرارة، تغيّر الحالة والحرارة الكامنة، الديناميكا الحرارية، ثم الموائع والكثافة والضغط وقوة الطفو والتمدد الحراري وقوانين الغاز.
تدريب على أسئلة الحرارة وحالات المادة
أسئلة بنك التحصيلي لهذا القسم
الأقسام الفرعية
أمثلة محلولة
مثال ١
درجة حرارة 100 K تساوي كم على مقياس سيليزيوس؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٢
قطعة معدن كتلتها 0.5 kg حرارتها النوعية 376 J/kg·K، انخفضت درجة حرارتها بمقدار 40 K، فكم الطاقة المفقودة بوحدة الجول؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٣
سُخّنت مادة كتلتها 10 kg فاكتسبت 100 J فارتفعت درجة حرارتها من 40 °C إلى 60 °C، فما حرارتها النوعية بوحدة Jkg·°C؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٤
احسب كمية الحرارة اللازمة لصهر 0.5 kg من الذهب علمًا بأن الحرارة الكامنة لانصهاره 6.3 × 10⁴ J/kg.
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٥
اكتسب جسم طاقة حرارية 50 J عند درجة حرارة 10 K، فما التغيّر في الإنتروبي بوحدة J/K؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٦
أي طرق انتقال الحرارة لا تحتاج إلى وسط مادي وتنتقل عبر الفراغ؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٧
جسم كتلته 10 kg وحجمه 5 m³، فما كثافته بوحدة kg/m³؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٨
غُمر جسم حجمه 2 m³ في سائل كثافته 1500 kg/m³، فما مقدار قوة الطفو المؤثرة فيه بوحدة النيوتن؟ (g = 10 m/s²)
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ٩
بالون مملوء بغاز حجمه 0.4 L عند ضغط 2 atm، فكم يصبح حجمه باللتر عندما يصير الضغط 1 atm عند ثبوت درجة الحرارة؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ١٠
كميتان: الأولى تعتمد على عدد جسيمات الجسم، والثانية مقياسٌ لمتوسط الطاقة الحركية لجزيئاته. ما هما على الترتيب؟
◎ توقّع الإجابة أولًا:
مثال ١١
عند تسخين قضيب معدني فإن:
◎ توقّع الإجابة أولًا:
نصائح الإتقان
- • فرّق بين الطاقة الحرارية (Q، تعتمد على عدد الجسيمات/الكتلة) ودرجة الحرارة (متوسط الطاقة الحركية)؛ جسمان بدرجة الحرارة نفسها قد يختلفان في طاقتهما الكلية.
- • عند حساب ΔT لا تحوّل بين الكلفن والسيليزيوس — فالتدريج متساوٍ؛ التحويل Tk = Tc + 273 لازم فقط لقراءة درجة الحرارة نفسها.
- • استعمل Q = m·c·ΔT عند تغيّر درجة الحرارة، و Q = m·H عند تغيّر الحالة (انصهار/تبخر) حيث تبقى درجة الحرارة ثابتة.
- • الإشعاع وحده ينتقل عبر الفراغ؛ التوصيل في الجوامد بالتلامس، والحمل في الموائع بحركتها.
- • الإنتروبي ΔS = QT بدرجة الحرارة المطلقة (K)، وكفاءة أي محرك حراري أقل من 100% دائمًا.
- • الكثافة ρ = mV (قسمة لا ضرب)، والضغط P = FA يزيد بزيادة القوة ويقلّ بزيادة المساحة.
- • قوة الطفو Fb = ρ·V·g تساوي وزن المائع المُزاح؛ يطفو الجسم إذا ساوت وزنه أو زادت عليه.
- • في قوانين الغاز حوّل درجة الحرارة إلى الكلفن أولًا؛ بويل (T ثابتة) P·V ثابت، شارل (P ثابت) VT ثابت، جاي لوساك (V ثابت) PT ثابت.
أخطاء شائعة
- الخلط بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة: درجة الحرارة = متوسط الطاقة الحركية؛ أمّا الطاقة الحرارية الكلية فتعتمد أيضًا على عدد الجسيمات (الكتلة).
- تحويل ΔT من سيليزيوس إلى كلفن بإضافة 273: ΔT متساوٍ في المقياسين (1°C = 1 K)؛ التحويل +273 يخص قراءة درجة الحرارة لا فرقها.
- استعمال Q = m·c·ΔT أثناء الانصهار أو الغليان: عند تغيّر الحالة تُستعمل الحرارة الكامنة Q = m·HF (انصهار) أو Q = m·HV (تبخر).
- افتراض أن كفاءة المحرك الحراري يمكن أن تبلغ 100%: الكفاءة = الشغل الناتج ÷ الحرارة الداخلة، وهي أقل من 100% دائمًا لأن جزءًا من الحرارة يُفقد.
- استعمال درجة الحرارة بالسيليزيوس في قوانين الغاز: حوّل إلى الكلفن أولًا (Tk = Tc + 273) قبل تطبيق P₁V₁T₁ = P₂V₂T₂.
- الظن أن الجسم الأثقل يغوص دائمًا: يطفو الجسم إذا كانت قوة الطفو Fb = ρ·V·g أكبر من وزنه أو تساويه، أي إذا كانت كثافته أقل من كثافة المائع.