الفيزياء: المستوى العالي
الديناميكا الحرارية — محور HL B
- 1.
اذكر القانون الأول للديناميكا الحرارية، مع تعريف كل حد مستخدم.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 2.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اذكر القانون الأول للديناميكا الحرارية، مع تعريف كل حد مستخدم.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «ذكر القانون الأول: ΔU = Q + W (أو ΔU = Q − W وفق اصطلاح الإشارة، بشرط الاتساق).» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 3.
يمتص غاز 500 J من الطاقة الحرارية ويبذل 200 J من الشغل على محيطه أثناء تمدده. احسب التغير في الطاقة الداخلية للغاز.
[3 درجة] - 4.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «يمتص غاز 500 J من الطاقة الحرارية ويبذل 200 J من الشغل على محيطه أثناء تمدده. احسب التغير في الطاقة الداخلية للغاز.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «استخدام القانون الأول ΔU = Q − W، حيث W الشغل المبذول من الغاز.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] - 5.
ميّز بين العملية متساوية الحرارة والعملية الأديباتية لغاز مثالي.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 6.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «ميّز بين العملية متساوية الحرارة والعملية الأديباتية لغاز مثالي.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أن العملية متساوية الحرارة تحدث عند درجة حرارة ثابتة، لذا لا تتغير الطاقة الداخلية لغاز مثالي (ΔU = 0).» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 7.
عرّف الإنتروبيا بعبارات نوعية بسيطة، واذكر القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
[2 درجة] · بدون آلة حاسبة - 8.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «عرّف الإنتروبيا بعبارات نوعية بسيطة، واذكر القانون الثاني للديناميكا الحرارية.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «تعريف الإنتروبيا بأنها مقياس لاضطراب النظام، أو عدد الترتيبات المجهرية الممكنة (الحالات الدقيقة) له.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 2 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[2 درجة] · بدون آلة حاسبة - 9.
اشرح، من حيث الإنتروبيا، لماذا تتدفق الطاقة الحرارية تلقائياً من جسم ساخن إلى جسم بارد وليس العكس أبداً.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 10.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اشرح، من حيث الإنتروبيا، لماذا تتدفق الطاقة الحرارية تلقائياً من جسم ساخن إلى جسم بارد وليس العكس أبداً.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أنه عند انتقال الطاقة الحرارية من جسم ساخن إلى جسم بارد، يكون انخفاض إنتروبيا الجسم الساخن أصغر في المقدار من زيادة إنتروبيا الجسم البارد (لأن تغير الإنتروبيا لانتقال حراري معين أكبر عند درجة حرارة أقل).» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 11.
يمتص محرك حراري 800 J من الطاقة الحرارية من خزان ساخن ويبذل 300 J من الشغل المفيد. احسب الكفاءة الحرارية للمحرك.
[3 درجة] - 12.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «يمتص محرك حراري 800 J من الطاقة الحرارية من خزان ساخن ويبذل 300 J من الشغل المفيد. احسب الكفاءة الحرارية للمحرك.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «استخدام الكفاءة = الشغل المفيد الناتج / الطاقة الحرارية الداخلة.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] - 13.
اذكر مبرهنة كارنو، واشرح لماذا لا يمكن لأي محرك حراري حقيقي يعمل بين درجتي حرارة معينتين أن يكون أكفأ من محرك كارنو.
[2 درجة] · بدون آلة حاسبة - 14.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اذكر مبرهنة كارنو، واشرح لماذا لا يمكن لأي محرك حراري حقيقي يعمل بين درجتي حرارة معينتين أن يكون أكفأ من محرك كارنو.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أن محرك كارنو محرك حراري نظري ومثالي (عكوس) يحقق أقصى كفاءة ممكنة بين درجتي حرارة معينتين.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 2 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[2 درجة] · بدون آلة حاسبة - 15.
يعمل محرك كارنو بين خزان ساخن عند 500 K وخزان بارد عند 300 K. احسب أقصى كفاءة ممكنة (كفاءة كارنو) له.
[3 درجة] - 16.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «يعمل محرك كارنو بين خزان ساخن عند 500 K وخزان بارد عند 300 K. احسب أقصى كفاءة ممكنة (كفاءة كارنو) له.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «استخدام كفاءة كارنو = 1 − T_البارد/T_الساخن، بدرجات حرارة الكلفن.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] - 17.
اشرح لماذا تزيد زيادة درجة حرارة الخزان الساخن، أو خفض درجة حرارة الخزان البارد، أقصى كفاءة ممكنة لمحرك حراري.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 18.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اشرح لماذا تزيد زيادة درجة حرارة الخزان الساخن، أو خفض درجة حرارة الخزان البارد، أقصى كفاءة ممكنة لمحرك حراري.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «ذكر صيغة كفاءة كارنو: الكفاءة = 1 − T_البارد/T_الساخن.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 19.
أوجز لماذا تحتاج الثلاجة إلى مدخل شغل خارجي لنقل الطاقة الحرارية من داخل بارد إلى خارج أدفأ، من حيث القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 20.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «أوجز لماذا تحتاج الثلاجة إلى مدخل شغل خارجي لنقل الطاقة الحرارية من داخل بارد إلى خارج أدفأ، من حيث القانون الثاني للديناميكا الحرارية.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أن الحرارة تتدفق طبيعياً (تلقائياً) من الساخن إلى البارد فقط، وليس من البارد إلى الساخن أبداً، دون تأثير خارجي.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 21.
يتمدد غاز عند ضغط ثابت مقداره 2.0 × 10⁵ Pa من حجم 0.020 m³ إلى 0.050 m³. احسب الشغل المبذول من الغاز.
[3 درجة] - 22.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «يتمدد غاز عند ضغط ثابت مقداره 2.0 × 10⁵ Pa من حجم 0.020 m³ إلى 0.050 m³. احسب الشغل المبذول من الغاز.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أنه لعملية بضغط ثابت (متساوية الضغط)، الشغل المبذول من الغاز = PΔV.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] - 23.
اشرح لماذا لا يُبذل أي شغل من الغاز أو عليه أثناء عملية متساوية الحجم (حجم ثابت)، واذكر ما يحدث لأي طاقة حرارية تُنقل إلى الغاز في هذه الحالة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 24.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اشرح لماذا لا يُبذل أي شغل من الغاز أو عليه أثناء عملية متساوية الحجم (حجم ثابت)، واذكر ما يحدث لأي طاقة حرارية تُنقل إلى الغاز في هذه الحالة.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أن الشغل المبذول من الغاز = PΔV، وبما أن الحجم لا يتغير (ΔV = 0) في العملية متساوية الحجم، لا يُبذل شغل.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 25.
يخضع 1.0 mol من غاز مثالي لتمدد متساوي الحرارة عند 300 K من حجم 0.010 m³ إلى 0.020 m³. احسب الشغل المبذول من الغاز، باستخدام W = nRT ln(V₂/V₁). (R = 8.31 J K⁻¹ mol⁻¹)
[4 درجة] - 26.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «يخضع 1.0 mol من غاز مثالي لتمدد متساوي الحرارة عند 300 K من حجم 0.010 m³ إلى 0.020 m³. احسب الشغل المبذول من الغاز، باستخدام W = nRT ln(V₂/V₁). (R = 8.31 J K⁻¹ mol⁻¹)» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «ذكر W = nRT ln(V₂/V₁).» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 4 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[4 درجة] - 27.
تنصهر كتلة 0.500 kg من الجليد عند 0°C بالكامل وبشكل عكوس عند درجة حرارة ثابتة، ممتصة 1.67 × 10⁵ J من الطاقة الحرارية. احسب التغير في إنتروبيا الجليد أثناء انصهاره.
[3 درجة] - 28.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «تنصهر كتلة 0.500 kg من الجليد عند 0°C بالكامل وبشكل عكوس عند درجة حرارة ثابتة، ممتصة 1.67 × 10⁵ J من الطاقة الحرارية. احسب التغير في إنتروبيا الجليد أثناء انصهاره.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «ذكر ΔS = Q/T لعملية عكوسة عند درجة حرارة ثابتة.» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] - 29.
اذكر صيغة كلفن-بلانك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، واشرح ما تعنيه بخصوص إمكانية وجود محرك حراري بكفاءة 100%.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة - 30.
تحليل التصحيح: يحاول متعلم الإجابة عن المهمة الآتية: «اذكر صيغة كلفن-بلانك للقانون الثاني للديناميكا الحرارية، واشرح ما تعنيه بخصوص إمكانية وجود محرك حراري بكفاءة 100%.» وتعالج إجابته هذه النقطة فقط: «توضيح أنه يستحيل بناء محرك حراري يحوّل، أثناء عمله بدورة، الطاقة الحرارية بالكامل إلى شغل دون أي أثر آخر (أي دون طرد بعض الحرارة إلى خزان بارد).» قيّم الإجابة مقابل متطلبات المهمة الكاملة ذات 3 درجات. حدد ما يستحق درجة واذكر كل متطلب إضافي لازم للحصول على الدرجة الكاملة.
[3 درجة] · بدون آلة حاسبة