الحرارة وتغير الحالة - المشاكل والحلول
1. بناءً على الرسم البياني، ما مقدار الحرارة التي يمتصها 5 كجم من الماء خلال عملية التبريد والتسخين؟ الحرارة النوعية للماء = 4,200 جول/كجم درجة مئوية.
معروف :
الكتلة (م) = 5 كجم
الحرارة النوعية للماء (ج) = 4200 جول/كجم درجة مئوية
درجة الحرارة الابتدائية (T1 ) = 0 درجة مئوية
درجة الحرارة النهائية (T2 ) = 10 درجة مئوية
التغير في درجة الحرارة (ΔT) = 10 درجة مئوية - 0 درجة مئوية = 10 درجة مئوية
مطلوب: هيت (Q)
الحل:
Q = mc ΔT = (5 كجم)(4200 جول/كجم درجة مئوية )(10 درجة مئوية) = (5)(4200 جول)(10) = (50)(4200 جول) = 210,000 جول
2. ما هي كمية الحرارة التي يمتصها 20 جرامًا من الجليد أثناء عملية التيار المتردد، إذا كانت الحرارة النوعية للجليد 2100 جول/كجم درجة مئوية وحرارة انصهار الجليد 336,000 جول/كجم.
معروف :
كتلة الجليد (م) = 200 غرام = 200/1000 كيلوغرام = 0.2 كيلوغرام
الحرارة النوعية (ج) = 2100 جول/كجم درجة مئوية
حرارة انصهار الجليد (LF ) = 336,000 جول/كجم
مطلوب: الحرارة التي يمتصها الجليد أثناء عملية التكييف
الحل:
أثناء العملية AB، يتم امتصاص الحرارة بواسطة الجليد لتغيير درجة حرارته من -10 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية.
Q = mc ΔT
Q = الحرارة، m = كتلة الجليد، c = الحرارة النوعية للجليد، ΔT = التغير في درجة الحرارة
Q 1 = mc ΔT = (0.2)(2100)(0-(-10) = (0.2)(2100)(10) = (2)(2100) = 4200 جول
خلال عملية التحول الجليدي، تُمتص الحرارة لإذابة الجليد وتحويله إلى ماء. في هذه العملية، لا يحدث سوى تغير في الحالة الفيزيائية دون أي تغير في درجة الحرارة، حيث تبقى درجة حرارة كل من الجليد والماء عند الصفر المئوي.
الحرارة الممتصة أثناء العملية BC:
Q 2 = m L F = (0.2 كجم)(336,000 جول/كجم) = 67,200 جول
الحرارة الممتصة أثناء عملية التكييف:
Q = Q 1 + Q 2 = 4200 جول + 67,200 جول = 71,400 جول
3. تم تسخين 2 كجم من الماء، وحرارة التبخر للماء = 2.27 × 10⁶ جول /كجم، والحرارة النوعية للماء = 4,200 جول/كجم درجة مئوية، والضغط الجوي 1 ضغط جوي، ما مقدار الحرارة التي يمتصها الماء أثناء العملية BC؟
معروف :
الكتلة (م) = 2 كجم
حرارة تبخر الماء (LV ) = 2.27 × 10⁶ جول/كجم
الحرارة النوعية للماء (c) = 4,200 جول/كجم درجة مئوية
المطلوب: الحرارة الممتصة أثناء العملية BC.
الحل:
في العملية AB، يتم امتصاص الحرارة لزيادة درجة حرارة الماء من 60 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية.
Q = m L V = (2 كجم)(2.27 × 10⁶ جول /كجم) = 4.54 × 10⁶ جول = 4540 × 10³ جول = 4540 كيلو جول
4. بناءً على الشكل أدناه، إذا كانت كتلة الجليد 500 غرام، والحرارة النوعية 2100 جول/كغ درجة مئوية، والحرارة الكامنة لانصهار الجليد 336,000 جول/كغ، فاحسب كمية الحرارة المطلوبة في العملية P–Q–R.
معروف :
كتلة الجليد (م) = 500 غرام = 500/1000 كيلوغرام = 0.5 كيلوغرام
الحرارة النوعية للجليد (c) = 2100 جول/كجم درجة مئوية
الحرارة الكامنة للانصهار (LF ) = 336,000 جول/كجم
مطلوب: حرارة
الحل:
العملية PQ = الحرارة الممتصة لرفع درجة حرارة الجليد من -4 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية
العملية QR = الحرارة التي يمتصها الجليد لإذابة كل الجليد وتحويله إلى ماء
تم حساب الحرارة الممتصة أثناء العملية باستخدام المعادلة التالية:
Q = mc ΔT
Q = الحرارة، m = الكتلة، c = الحرارة النوعية للجليد، ΔT = التغير في درجة الحرارة
تم حساب كمية الحرارة الممتصة من الجليد أثناء العملية باستخدام هذه المعادلة:
Q = (0.5 كجم)(2100 جول/كجم o C)(0 o C-(-4 o C))
س = (0.5 كجم)(2100 جول/كجم درجة مئوية)(0 درجة مئوية + 4 درجة مئوية)
س = (0.5 كجم)(2100 جول/كجم درجة مئوية)(4 درجة مئوية)
Q = (0.5)(2100 جول)(4)
Q = 4200 جول
تم حساب الحرارة الممتصة أثناء العملية باستخدام هذه المعادلة:
Q = mL F
Q = (0.5 كجم)(336,000 جول/كجم)
Q = (0.5)(336,000 جول)
Q = 168,000 جول
إجمالي الحرارة:
Q = 4200 جول + 168,000 جول
Q = 172,200 جول
Q = 172.2 كيلو جول
س = 172.2 كيلو جول
5. تم تسخين قطعة من الجليد كتلتها 50 جرامًا من درجة حرارة -5 درجة مئوية إلى ماء عند درجة حرارة 60 درجة مئوية. إذا كانت حرارة انصهار الجليد 80 كالوري/جرام، والحرارة النوعية للجليد 0.5 كالوري/جرام درجة مئوية، والحرارة النوعية للماء 1 كالوري/جرام درجة مئوية ، فحدد كمية الحرارة المطلوبة في العملية CD.
معروف :
كتلة الجليد = كتلة الماء (م) = 50 غرامًا 
الحرارة الكامنة للانصهار للجليد (LF ) = 80 سعر حراري/غرام
الحرارة النوعية للجليد (c ice) = 0.5 سعر حراري/غرام درجة مئوية
الحرارة النوعية للماء (c water) = 1 سعر حراري/غرام درجة مئوية
مطلوب: الحرارة اللازمة في عملية تصنيع الأقراص المدمجة
الحل:
في العملية من أ إلى ب، تُستخدم الحرارة لرفع درجة حرارة الجليد من -5 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية. يتم حساب الحرارة باستخدام هذه المعادلة: Q = mc ΔT، حيث Q = الحرارة، m = كتلة الجليد، c = الحرارة النوعية للجليد، ΔT = التغير في درجة الحرارة من -5 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية.
في العملية من B إلى C، تُستخدم الحرارة لإذابة الجليد بالكامل وتحويله إلى ماء. في هذه العملية، لا تتغير درجة الحرارة. تُحسب الحرارة باستخدام المعادلة التالية: Q = m LF ، حيث Q = الحرارة، m = كتلة الجليد، LF = الحرارة الكامنة لانصهار الجليد.
في العملية من C إلى D، يتم استخدام الحرارة لرفع درجة حرارة الماء من 0 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية. يتم حساب الحرارة باستخدام هذه المعادلة: Q = mc ΔT، حيث Q = الحرارة، m = كتلة الماء، c = الحرارة النوعية للماء، ΔT = التغير في درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية.
الحرارة المطلوبة من العملية ج إلى العملية د:
Q = mc ΔT = (50 غرام)(1 سعر حراري/غرام درجة مئوية)(60 درجة مئوية - 0 درجة مئوية) = (50)(1)(60) سعر حراري = 3000 سعر حراري
6. إذا كانت كتلة الجليد 1 كجم، والحرارة النوعية للجليد 2100 جول/كجم درجة مئوية، والحرارة الكامنة للانصهار للجليد 336,000 جول/كجم، والحرارة النوعية للماء 4200 جول/كجم درجة مئوية، فحدد الحرارة المطلوبة في عملية PQR.
معروف :
كتلة الجليد = 1 كجم
الحرارة الكامنة لانصهار الجليد (LF ) = 336,000 جول/كجم
الحرارة النوعية للجليد (c ice) = 2,100 جول/كجم درجة مئوية
الحرارة النوعية للماء (c water) = 4,200 جول/كجم درجة مئوية
مطلوب: الحرارة اللازمة في عملية PQR
الحل:
في العملية من P إلى Q، تُستخدم الحرارة لرفع درجة حرارة الجليد من -5 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية. يتم حساب الحرارة باستخدام هذه المعادلة: Q = mc ΔT، حيث Q = الحرارة ، m = كتلة الجليد ، c = الحرارة النوعية للجليد، ΔT = التغير في درجة الحرارة من -5 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية.
الحرارة المطلوبة في العملية من P إلى Q:
Q = mc ΔT = (1)(2100)(0-(-5)) = (2100)(5) = 10500 جول
في العملية من Q إلى R، تُحسب الحرارة اللازمة لإذابة كل الجليد وتحويله إلى ماء. في هذه العملية، تبقى درجة الحرارة ثابتة. تُحسب الحرارة باستخدام المعادلة التالية: Q = m LF ، حيث Q = الحرارة ، m = كتلة الجليد ، LF = الحرارة الكامنة لانصهار الجليد.
الحرارة المطلوبة في العملية من Q إلى R:
س = م L F = (1)(336,000) = 336,000 جول
إجمالي الحرارة:
10,500 + 336,000 = 346,500 جول
- ما هي الحرارة الكامنة؟
- إجابةالحرارة الكامنة هي الطاقة الحرارية اللازمة لتغيير حالة المادة دون تغيير درجة حرارتها. وهي تمثل الطاقة اللازمة لكسر أو تكوين الروابط بين الجزيئات أثناء تغيرات الحالة.
- لماذا تبقى درجة الحرارة ثابتة أثناء تغير الحالة؟
- إجابةأثناء تغير الحالة، تُستخدم جميع الطاقة الحرارية المُضافة أو المُزالة لتغيير حالة المادة. تُستخدم هذه الطاقة لكسر أو تكوين الروابط بين الجزيئات، وليس لزيادة الطاقة الحركية للمادة أو درجة حرارتها.
- ما الفرق بين الحرارة الكامنة للانصهار والحرارة الكامنة للتبخر؟
- إجابةتشير الحرارة الكامنة للانصهار إلى الطاقة الحرارية اللازمة لتحويل مادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة (أو العكس) عند درجة انصهارها. وتشير الحرارة الكامنة للتبخر إلى الطاقة الحرارية اللازمة لتحويل مادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (أو العكس) عند درجة غليانها.
- لماذا نشعر بالبرد عندما نخرج من حمام السباحة في يوم عاصف، حتى لو كانت درجة حرارة الهواء دافئة؟
- إجابةعندما يتبخر الماء من بشرتنا، فإنه يتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. تتطلب هذه العملية طاقة، تُمتص من بشرتنا على شكل حرارة، مما يجعل بشرتنا تشعر بالبرودة.
- لماذا يعتبر البخار عند درجة حرارة 100 درجة مئوية أكثر خطورة من الماء المغلي عند درجة حرارة 100 درجة مئوية؟
- إجابةيحتوي البخار على طاقة أكبر من الماء المغلي لأنه يمتص حرارة التبخر الكامنة أثناء تحوله من الماء إلى بخار. وعندما يتكثف البخار على الجلد، فإنه يطلق هذه الطاقة الإضافية، مما يسبب حروقًا أشد من تلك التي يسببها الماء المغلي.
- كيف يؤدي إضافة الملح إلى الثلج إلى خفض درجة انصهاره؟
- إجابةيؤدي إضافة الملح إلى الإخلال بالتوازن بين ذوبان وتجمد خليط الماء والثلج. وهذا يتسبب في ذوبان كمية أكبر من الثلج عند درجة حرارة أقل من المعتاد، مما يؤدي فعلياً إلى خفض درجة تجمد الخليط.
- لماذا يساعد التعرق على تبريد الجسم في يوم حار؟
- إجابةعندما يتبخر العرق من الجلد، فإنه يتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. تتطلب عملية التبخر هذه طاقة، تُستمد من الجلد، مما يؤدي إلى تبريده.
- ما هو التسامي في سياق تغيرات الحالة؟
- إجابةالتسامي هو التحول المباشر من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تحول الثلج الجاف (ثاني أكسيد الكربون الصلب) مباشرة إلى غاز ثاني أكسيد الكربون.
- لماذا يلزم توفير الطاقة الحرارية لإذابة الجليد على الرغم من أن درجة الحرارة تبقى عند 0 درجة مئوية؟
- إجابةتُستخدم الطاقة الحرارية لكسر الروابط بين الجزيئات التي تُبقي الجليد في بنيته الصلبة. وبمجرد كسر هذه الروابط، يتحول الجليد إلى الحالة السائلة، على الرغم من عدم وجود تغيير في درجة الحرارة.
- كيف يؤثر الضغط على درجة غليان السائل؟
- إجابةبشكل عام، يؤدي ارتفاع الضغط الخارجي إلى رفع درجة غليان السائل، بينما يؤدي انخفاض الضغط إلى خفضها. ولهذا السبب يغلي الماء عند درجات حرارة أقل من 100 درجة مئوية في المرتفعات العالية، حيث يكون الضغط الجوي أقل.
