فهم المبادئ السوداء
إذا مزجنا الماء الساخن والبارد في وعاء مفتوح (مثل دلو)، تنتقل الحرارة من الماء الساخن إلى الماء البارد. ولأن الوعاء مفتوح، ينتقل جزء من الحرارة إلى الهواء، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوعاء نفسه. ولا يقتصر امتصاص الحرارة المنبعثة من الماء الساخن على الماء البارد فحسب، بل يمتصها أيضًا الهواء والوعاء. في هذه الحالة، يُعد الدلو نظامًا غير معزول.
عند مزج الماء الساخن والبارد في ترمس مغلق، تنتقل الحرارة من الماء الساخن إلى الماء البارد. الترمس نظام معزول ، لذا لا تنتقل الحرارة إلى الهواء أو إلى الترمس نفسه. ببساطة، يمتص الماء البارد الحرارة المنبعثة من الماء الساخن حتى يصل المزيج إلى حالة التوازن الحراري.
ينص مبدأ بلاك على أنه في نظام مغلق معزول، فإن الحرارة المنبعثة من جسم ذي درجة حرارة عالية = الحرارة الممتصة من جسم ذي درجة حرارة منخفضة.
الصيغة الأساسية للأسود
Qليباس = سسيراب
الوصف: سليباس = الحرارة المنبعثة من جسم ذي درجة حرارة عالية، Qسيراب = الحرارة التي تمتصها الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة.
أسئلة مثال على مبدأ بلاك
1. قطعة من الحديد الساخن كتلتها 1 كجم ودرجة حرارتها 100 oوُضِعَ المركب C في وعاء يحتوي على ماء كتلته 2 كجم ودرجة حرارته 20 oج. ما هي درجة الحرارة النهائية للخليط؟ الحرارة النوعية للحديد = 450 جول/كجم درجة مئويةoالحرارة النوعية للماء = 4200 جول/كجم درجة مئويةo.
مناقشة :
معروف :
كتلة الحديد = 1 كجم، درجة الحرارةحديد = 100 oج، كتلة الماء = 2 كجم، درجة الحرارةهواء = 20 oج، ج حديد = 450 جول/كجم درجة مئويةo، ج ماء = 4200 جول/كجم درجة مئويةo.
سأل :
مزيج T؟
جواب :
الحديد له درجة حرارة أعلى من الماء، لذا فإن الحديد يطلق الحرارة، بينما يمتص الماء الحرارة.
(م)(ج)(دلتا ت) = (م)(ج)(دلتا ت)
(1)(450)(100-T) = (2)(4200)(T-20)
(450)(100-T) = (8400)(T-20)
45000 – 450T = 8400 T – 168000
45000 + 168000 = 8400 طن + 450 طن
213000 = 8850 طن
T = 213000 : 8850
T = 24 oC
سوهو تكون درجة الحرارة النهائية لمزيج من الحديد الساخن والماء البارد عندما يكون كلاهما في حالة توازن حراري 24 oC.
2. سؤال رقم 20 من امتحان الفيزياء الوطني للمرحلتين الإعدادية والثانوية للعام الدراسي 2015/2016
تم خلط 75 غرامًا من الماء عند درجة حرارة 0 درجة مئوية مع 50 غرامًا من الماء بحيث أصبحت درجة حرارة الخليط 40 درجة مئوية، لذا فإن درجة الحرارة الابتدائية لـ 50 غرامًا من الماء هي...
أ. 125 درجة مئوية
ب. 120 درجة مئوية
ج. 110 درجة مئوية
د. 100 درجة مئوية
هـ. 80 درجة مئوية
مناقشة
من المعروف أن:
كتلة الماء 1 (م 1 ) = 75 غرامًا
درجة الحرارة الابتدائية للماء 1 (T1 ) = 0 درجة مئوية
كتلة الماء 2 (م 2 ) = 50 غرامًا
درجة الحرارة النهائية للخليط (T) = 40 درجة مئوية
وحدات الكتلة هي نفسها، لذا لا داعي للتحويل.
المطلوب: درجة الحرارة الابتدائية للماء 2 (T 2 )
الجواب:
ينص مبدأ بلاك على أنه في نظام مغلق معزول، فإن الحرارة المنبعثة من جسم ذي درجة حرارة عالية تساوي الحرارة التي يمتصها جسم ذو درجة حرارة منخفضة.
Q المتحررة = Q الممتصة
m 1 c ( Δ T 1 ) = m 2 c ( Δ T 2 )
الحرارة النوعية للماء هي نفسها، لذلك يتم حذف c من المعادلة.
m 1 ( Δ T 1 ) = m 2 ( Δ T 2 )
(75)(40 – 0) = (50)(T 2 – 40)
(75)(40) = (50)(T 2 – 40)
3000 = 50 T 2 – 2000
3000 + 2000 = 50 T 2
5000 = 50 طن 2
T 2 = 100
الإجابة الصحيحة هي د.
3. 2015/2016 SMA/MA فيزياء أسئلة الأمم المتحدة رقم 20
تم تسخين 200 غرام من المعدن إلى 120 درجة مئوية، ثم وُضع في 100 غرام من الماء عند درجة حرارة 30 درجة مئوية. بعد الوصول إلى حالة الاتزان، أصبحت درجة حرارة الخليط 60 درجة مئوية. إذا كانت الحرارة النوعية للماء 4200 جول/كيلوغرام / درجة مئوية ، فإن الحرارة النوعية للمعدن هي...
أ. 10,5 جول/كجم -1 درجة مئوية -1
ب. 105 جول/كجم -1 درجة مئوية -1
ج. 150 جول/كجم -1 درجة مئوية -1
د. 1050 جول/كجم -1 درجة مئوية -1
هـ. 1500 جول/كجم -1 درجة مئوية -1
مناقشة
تحويل وحدات الكتلة من الغرامات إلى الكيلوغرامات (النظام الدولي للوحدات)
من المعروف أن:
كتلة المعدن (م 1 ) = 200 غرام = 0,2 كيلوغرام
درجة حرارة المعدن (T1 ) = 120 درجة مئوية
كتلة الماء (م² ) = 100 غرام = 0,1 كيلوغرام
درجة حرارة الماء (T2 ) = 30 درجة مئوية
درجة الحرارة النهائية للخليط (T) = 60 درجة مئوية
الحرارة النوعية للماء (c2 ) = 4200 جول/ كجم درجة مئوية
المطلوب: الحرارة النوعية للمعدن (ج 1 )
الجواب:
Q المتحررة = Q الممتصة
m1 c1 (ΔT1) = م2 c2 (ΔT2)
(0,2)(c 1 )(120 – 60) = (0,1)(4200)(60 – 30)
(0,2)(c 1 )(60) = (0,1)(4200)(30)
12 ج 1 = 12600
ج 1 = 12600 / 12
ج 1 = 1050
الإجابة الصحيحة هي د.
4. سؤال الأمم المتحدة SMA/MA 2018
يُسكب 250 مل من الماء المغلي (100 درجة مئوية) في وعاء يحتوي على 400 مل من الماء عند درجة حرارة 35 درجة مئوية. بعد حدوث التوازن الحراري، تكون درجة حرارة الخليط هي... (الحرارة النوعية للماء 1,0 سعر حراري/ غرام / درجة مئوية ).
مناقشة
من المعروف:
درجة حرارة الماء الساخن = 100 درجة مئوية
حجم الماء الساخن = 250 مل = 0,25 لتر = 0,25 دسم³ = (0,25)(1000 سم³ ) = 250 سم³
درجة حرارة الماء البارد = 35 درجة مئوية
حجم الماء البارد = 400 مل = 0,4 لتر = 0,4 دسم³ = (0,4)(1000 سم³ ) = 400 سم³
الحرارة النوعية للماء = 1,0 كالوري / غرام درجة مئوية
كثافة الماء = 1 جم/ سم³
السؤال: درجة حرارة الخليط
جواب:
احسب كتلة الماء الساخن والبارد باستخدام صيغة الكثافة:
m = ρ V
m = الكتلة، ρ = الكثافة، V = الحجم
كتلة الماء الساخن: م = ρ ح = ( 1 جم/سم³ ) (250 سم³ ) = 250 جم
كتلة الماء البارد: م = ρ ح = ( 1 جم/سم³ ) (400 سم³ ) = 400 جم
احسب درجة حرارة الخليط باستخدام صيغة بلاك الأساسية:
الحرارة التي يمتصها الماء البارد = الحرارة التي يطلقها الماء الساخن
mc Δ T = mc Δ T
الحرارة النوعية متساوية، لذا يتم استبعادها من المعادلة.
m Δ T = m Δ T
(400)(T-35) = (250)(100-T)
400 طن - 14000 = 25000 - 250 طن
400 طن + 250 طن = 25000 + 14000
650ت = 39000
تي = 39000/650
درجة الحرارة = 60 درجة مئوية
