الفيزياء11 فصل أول

حل مُراجعة أسئلة الدرس

1. الفكرة الرئيسة: ما المقصود بدرجة الحرارة؟ ما الفرق بينها وبين الطاقة الحرارية؟

• درجة الحرارة Temperature تساوي متوسط الطاقة الحركية للجسيم الواحد في الجسم.
• أما الطاقة الحرارية energy Thermal فتساوي مجموع الطاقة الحركية لجميع جسيمات الجسم.

---

---

2. أُصدرُ حُكمًا: في أثناء دراسة فاتن هذا الدرس، قالتْ: «إنّ الأجسام الأعلى درجة حرارة تمتلك طاقة حرارية أكبر من الأجسام الأقلّ درجة حرارة ». أُناقش زملائي/زميلاتي في صحّة قولها.

كلام فاتن غير صحيح علميا؛ لأن الأجسام لا تمتلك حرارة بل تمتلك طاقة حرارية، وعندما تنتقل الطاقة بين الأجسام المتصلة حرارياً نتيجة الاختلاف في ردجات حرارتها فإن هذه الطاقة الحرارية المنتقلة تسمى حرارة. والصحيح أن لجسيمات الجسم الأعلى درجة حرارة متوسط طاقة حركية أكبر منها لجسيمات الجسم الأقل درجة حرارة.

---

---

3. أتوقع: أرادت إسراء تصميم مدفأة كهربائية يعتمد مبدأ عملها على التسخين الكهربائي لصفيحة فلزّية توجد داخلها، وعند وصول درجة حرارة الصفيحة إلى قيمة معيّنة ينفصل التيّار الكهربائي آليًّا عن المدفأة، ثم يعود التيار عند انخفاض درجة حرارة الصفيحة. أُناقش زملائي/زميلاتي في مزايا استخدام مادّة فلزية ذات سَعة حرارية نوعية كبيرة في هذا التصميم للمدفأة وعيوبها.

• الإيجابيات: لا يوجد حاجة إلى أن تكون كتلة المادة (الصفيحة) الصلبة كبيرة بشكل مفرط من أجل الحصول على مقدار طاقة حرارية أكبر، و سوف تبرد الصفيحة الصلبة الساخنة ببطء، و سيتم نقل الطاقة الحرارية إلى هواء الغرفة لفترة زمنية طويلة.
• السلبيات: تستهلك المادة الصلبة الكثير من الطاقة الكهربائية لتسخينها، وسوف تستغرق المادة الصلبة وقتا طويلا لتصل إلى درجة حرارة مرتفعة.

---

---

4. أفسر: استُخدمت كمية الطاقة الحرارية نفسها لتسخين (1g) من مادتين (A) و (B) فارتفعت درجة حرارة المادة (A) بمقدار $3˚C$ . والمادة (B) بمقدار  $4˚C$. أي المادتين لها سَعة حرارية نوعية أكبر؟ أفسر إجابتي.

المادة A لها سعة حرارية نوعية أكبر، لأن نوع مادة الجسم يؤثر في ّمقدار التغير في درجة حرارته عند تسخينه وبحسب قانون السعة الحرارية النوعية $\mathrm{c}=\mathrm{Q}/\mathrm{m}∆\mathrm{T}$ 
فإن العلاقة بين السعة الحرارية النوعية ودرجة الحرارة عند ثبوت الطاقة والكتلة، علاقة عكسية

---

---

5. أستخدمُ الأرقام: مصدر حراري يعمل بالوقود. إذا كانت كمّية الوقود المتوافرة فيه تولّد طاقة مقدارها ( 1.25 MJ ) عند حرقها، فأحسبُ كتلة الماء التي يُمكن تسخينها من درجة حرارة ($8˚C$) إلى درجة حرارة ($100˚C$) بافتراض اكتساب الماء الطاقة المتولّدة كلها، والسَّعَة الحرارية النوعية للماء ($c_w = 4200 \mathrm{J}/\mathrm{kg}.\mathrm{K}$) تقريبًا.

$\mathrm{m}=\frac{\mathrm{Q}}{\mathrm{c}∆\mathrm{T}}=\frac{1.25\times {10}^6}{(4.2\times {10}^3\times (100-8\left)\right)}=3.24\mathrm{kg}$

---

---

6. التفكير الناقد: لدى علياء أربع قطع متساوية في الكتلة: اثنتان من الحديد واثنتان من الألمنيوم، درجة حرارتها ($20°C$)، ولديها أربع كميات متساوية في الكتلة: اثنتان من الماء، واثنتان من الإيثانول، درجة حرارتها ($80°C$)، وُضِعت قطعة حديد في الماء والثانية في الإيثانول، ووُضِعت قطعة ألمنيوم في الماء والثانية في الإيثانول. إذا علمت أن السَّعَة الحرارية النوعية للإيثانول $(2.4\times {10}^3 \mathrm{J} ⁄ \mathrm{kg}.\mathrm{K})$ ومُعتمِدًا على الجدول (1). أي القطع الأربع ترتفع درجة حرارتها ارتفاعًا أكبر؟ أفسر إجابتي

بما ان جميع الكتل والكميات متساوية، نقوم بمقارنة السعة الحرارية النوعية 
نجد أن الماء له سعة حرارية نوعية تساوي ($4186 \mathrm{J}/\mathrm{kg}.\mathrm{K}$) ، والسعة الحرارية للإيثانول ($2400 \mathrm{J}/\mathrm{kg}.\mathrm{K}$) مما يعني أن الايثانول سيفقد حرارة بشكل أسرع.
أما بالنسبة للسعة الحرارية النوعية للحديد فهي ($448 \mathrm{J}/\mathrm{kg}.\mathrm{K}$) وللألمنيوم ($900 \mathrm{J}/\mathrm{kg}.\mathrm{K}$) مما يعني أن الحديد سيكتسب حرارة بشكل أسرع وهذا يدل على أن قطعة الحديد الموضوعة في الإيثانول سترتفع حرارتها ارتفاعا أكبر.
 

---

حلول أسئلة كتاب الأنشطة

التجربة 1: قياس السعة الحرارية النوعية لمادة

الأهداف:

- تعرّف مفهوم السعة الحرارية النوعية.

- حساب السعة الحرارية النوعية لمواد مختلفة.

الموادّ والأدوات:

مصدر كهربائي مناسب (12V)، ثلاث أسطوانات من فلزات مختلفة (ألمنيوم، رصاص، نحاس) مثل المبينة في الشكل المجاور، مقياس درجة حرارة، ساعة توقيت، ميزان رقمي، أسلاك توصيل، فولتميتر، أميتر، ملف تسخين.

إرشادات السلامة:

ارتداء المعطف، لبس النظارات الواقية، توخّي الحذر عند رصد قراءة المقياس، تجنّب نزع مقياس الحرارة وملف التسخين من داخل الفلز وهما ساخنان.

خطوات العمل:

أُنفّذ الخطوات الآتية بالتعاون مع أفراد مجموعتي:

1. أقيس كتل الأسطوانات الثلاث ودرجات حرارتها الابتدائية، ثم أدونها.

2. أصل ملف التسخين بالمصدر الكهربائي والأميتر، والفولتميتر كما هو موضح بالشكل.

3. أجرب: أضع ملف التسخين ومقياس درجة الحرارة في الثقبين المخصصين لهما في أسطوانة الرصاص، ثم أشغل مصدر الجهد الكهربائي متزامنًا مع تشغيل ساعة التوقيت، ثم أدون قراءة كل من الأميتر والفولتميتر.

4. أفصل التيار الكهربائي عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار (10^oC) بالتزامن مع إيقاف ساعة التوقيت، ثم أُدون قراءة مقياس درجة الحرارة.

البيانات والملاحظات:

5. أضبط المتغيرات: أكرر الخطوتين (4 , 3) باستخدام الرصاص، ثم النحاس، مراعيًا إيقاف تشغيل المصدر عند ارتفاع درجة الحرارة بمقدار (10^oC).

التحليل والاستنتاج:

1. أستنتج: ما العلاقة بين كمية الطاقة الحرارية Q وزمن تشغيل السخان؟

تزداد الطاقة الحرارية التي تزود بها القطع الفلزية بزيادة زمن تشغيل السخان.

2. أحسب مقدار الطاقة الحرارية المنقولة إلى الفلز بحسب العلاقة الآتية: $Q=IVt$

تختلف الإجابة باختلاف زمن التشغيل.

3. أحسب السعة الحرارية النوعية لكل مادة باستخدام العلاقة الآتية: $c=\frac{Q}{m\Delta T}=\frac{Q}{m(T_f-T_i)}$

تختلف الإجابة باختلاف نوع المادة. من المفترض الحصول على قيم للسعة الحرارية النوعية.

تساول تقريبا القيم المعطاة في الجدول (1).

4. أفسر: ما سبب الاختلاف في قيم السعة الحرارية النوعية لكل من الرصاص والألمنيوم والنحاس؟

بسبب اختلاف نوع المادة. حيث يختلف عدد الذ ا رت أو الجزيئات لوحدة الكتل داخل المادة .

وكيفية حركتها إضافة إلى اختلافها في مقدرتها على توصيل الطاقة بحسب تراص الذرات وترابطها.