شرح مسائل الفصل السادس – الديناميكا الحرارية – فيزياء الخامس العلمي

في هذه المحاضرة نكمل الفصل السادس من فيزياء الخامس العلمي، والذي يتناول موضوع الديناميكا الحرارية. تركز هذه المحاضرة على شرح المسائل التطبيقية الخاصة بالفصل، مرفقة بالملاحظات الأساسية والقوانين اللازمة للحل، مع الحفاظ على الوحدات والتعريفات.

أهم الملاحظات لحل مسائل الفصل السادس

  1. إذا ذكر في السؤال: الضغط ثابت:
    • استخدم القانون: ΔW=P⋅ΔV\Delta W = P \cdot \Delta V
    • أو: ΔW=P(V2−V1)\Delta W = P(V_2 – V_1)
    • تحويل السنتيمتر المكعب إلى المتر المكعب: 1cm3=10−6m31\text{cm}^3 = 10^{-6}\text{m}^3
  2. إذا ذكر في السؤال: درجة الحرارة ثابتة:
    • استخدم أحد القانونين: ΔW=PV1ln⁡(V2V1)\Delta W = P V_1 \ln(\frac{V_2}{V_1}) أو ΔW=nRTln⁡(V2V1)\Delta W = nRT \ln(\frac{V_2}{V_1})
  3. إذا طلب: التغير في الطاقة الداخلية للنظام (ΔU\Delta U): ΔU=Q−W\Delta U = Q – W
  4. إذا طلب: كفاءة الماكينة الحرارية: η=WQH×100%\eta = \frac{W}{Q_H} \times 100\%
    • أو: η=QH−QCQH×100%\eta = \frac{Q_H – Q_C}{Q_H} \times 100\%

حل أمثلة ومسائل الفصل

المثال 1:

إذا زاد حجم رئتي الإنسان بمقدار 500cm3500\text{cm}^3 عند عملية الشهيق وكان الضغط الجوي ثابتًا بمقدار 105Pa10^5 \text{Pa}، احسب الشغل.

  • المعطيات: ΔV=500×10−6=5×10−4m3\Delta V = 500 \times 10^{-6} = 5 \times 10^{-4} \text{m}^3 P=105PaP = 10^5 \text{Pa}
  • الحل: ΔW=P⋅ΔV=105⋅5×10−4=50 J\Delta W = P \cdot \Delta V = 10^5 \cdot 5 \times 10^{-4} = 50\, \text{J}

المثال 2:

تمدد هواء محصور من حجم 1 m31\,m^3 إلى 3 m33\,m^3 عند ثبوت درجة الحرارة وكان الضغط الأولي 106 Pa10^6\,Pa، احسب الشغل.

  • القانون المستخدم: ΔW=PV1ln⁡(V2V1)\Delta W = P V_1 \ln(\frac{V_2}{V_1}) ln⁡(3)≈1.098\ln(3) \approx 1.098 ΔW=106⋅1⋅1.098=1.098×106=1.1×106 J\Delta W = 10^6 \cdot 1 \cdot 1.098 = 1.098 \times 10^6 = 1.1 \times 10^6\,J

المثال 3:

أُضيفت حرارة مقدارها Q=1500 JQ = 1500\,J إلى نظام، وأنجز النظام شغلاً مقداره W=2200 JW = 2200\,J. احسب التغير في الطاقة الداخلية.

  • الحل: ΔU=Q−W=1500−2200=−700 J\Delta U = Q – W = 1500 – 2200 = -700\,J ΔU<0\Delta U < 0 يدل على أن الطاقة الداخلية قلت.

المثال 4:

ماكينة حرارية استقبلت حرارة QH=1200 JQ_H = 1200\,J وأنتجت شغلاً W=400 JW = 400\,J. احسب كفاءتها.

  • η=WQH×100=4001200×100=33.3%\eta = \frac{W}{Q_H} \times 100 = \frac{400}{1200} \times 100 = 33.3\%
  • ولإيجاد كمية الحرارة المطروحة: QC=QH−W=1200−400=800 JQ_C = Q_H – W = 1200 – 400 = 800\,J

المثال 5:

تمدد نظام من حجم 0.01m30.01 \text{m}^3 إلى 0.022m30.022 \text{m}^3 عند ضغط ثابت 5×105Pa5 \times 10^5 \text{Pa}، احسب الشغل.

  • ΔV=0.022−0.01=0.012m3\Delta V = 0.022 – 0.01 = 0.012 \text{m}^3 ΔW=P⋅ΔV=5×105⋅0.012=6000 J\Delta W = P \cdot \Delta V = 5 \times 10^5 \cdot 0.012 = 6000\,J

السؤال 1:

إناء معزول به غاز محصور، والشغل الخارجي المبذول عليه 135 J135\,J. احسب التغير في الطاقة الداخلية.

  • بما أن الإناء معزول، Q=0Q = 0
  • المحيط أنجز شغلًا على النظام: W=−135 JW = -135\,J
  • ΔU=Q−W=0−(−135)=135 J\Delta U = Q – W = 0 – (-135) = 135\,J

السؤال 2:

ماكينة حرارية تلفظ QH=2000 JQ_H = 2000\,J إلى المستودع الأعلى وتنقل QC=1500 JQ_C = 1500\,J إلى المستودع الأقل.

  • η=QH−QCQH×100=5002000×100=25%\eta = \frac{Q_H – Q_C}{Q_H} \times 100 = \frac{500}{2000} \times 100 = 25\%

السؤال 3:

ماكينة تستقبل QH=3000 kJQ_H = 3000\,kJ وتلفظ QC=900 kJQ_C = 900\,kJ

  • الشغل الناتج: W=QH−QC=2100 kJW = Q_H – Q_C = 2100\,kJ
  • الكفاءة: η=WQH×100=21003000×100=70%\eta = \frac{W}{Q_H} \times 100 = \frac{2100}{3000} \times 100 = 70\%

السؤال 4:

خلال عمل ماكينة، قلت الطاقة الداخلية بمقدار ΔU=−400 J\Delta U = -400\,J والشغل المنجز W=250 JW = 250\,J

  • ΔU=Q−W⇒Q=ΔU+W=−400+250=−150 J\Delta U = Q – W \Rightarrow Q = \Delta U + W = -400 + 250 = -150\,J
المحاضرة السابق
رجوع إلى الدرس
المحاضرة التالي