1- إذا قلت : إن جسما ما حار كضعفي جسم آخر، فهل يكون ذلك مفهوما ؟ و هل هنالك فرق إذا كان مرجعتك التدريج المئوي أو تدريج كلفن ؟ وضح إجابتك.
2- هل يمكن أن تقدر زمن الاسترخاء لعملية قياس درجة حرارة مريض بثرموميتر عادي ؟
3- هل يمكنك إعطاء بعض أمثلة توضح فيها عدم الدقة في الحكم على سخونة جسم ما أو برودته عن طريق اللمس فقط ؟
4- يرمز لدرجة الحرارة في مقياس رانكن بالرمز (R˚). و تكون الدرجة مساوية للفهرنهايت و يبدأ تدريجه من الصفر المطلق. لذلك فإن التحويل بين درجتي فهرنهايت و رانكن هو التحويل نفسه بين التدريج المئوي و تدريج كلفن. (أ) أوجد صيغة رياضية لتحويل درجات الحرارة من رانكن إلى فهرنهايت، و من رانكن إلى كلفن، ثم أوجد درجة حرارة الغرفة بتدريج رانكن.
5- قد درجة الخرارة لكل مما يأتي بتدريج كلفن : (أ) درجة حرارة جسم الأنسان. (ب) درجة غليان الماء تحت ضغط جوي معياري. (ج) درجة حرارة أبرد يوم تتذكره. (د) درجة حرارة غليان النيتروجين السائل (-196˚C). (ه) درجة انصهار الرصاص 327˚C.
6- احسب حجم مول واحد من الهواء عند درجة حرارة الغرفة و تحت ضغط جوي واحد ؟
7- قدر عدد جزيئات الهواء في غرفة.
8- غرفتان A و B متساويتان في الحجم، و متصلتان بباب مفتوح بينهما، فإذا كانت درجة حرارة الغرفة A أعلى من درجة حرارة الغرفة B، فأي الغرفتين تحتوي على كتلة أكبر من الهواء ؟
9- احسب معدل الحجم / جزيء، لغاز مثالي عند درجة حرارة الغرفة و تحت ضغط حوي واحد، بأخذ الجذر التربيعي لإجابتك، فإن ذلك يمثل معدل المسافة بين جزيئات الهواء. كيف تقارن ذلك بحجم جزيء N2 أو H2O ؟
10- يساوي المول الواحد عدد البروتونات في جرام واحد من البروتونات. و حيث إن كتلة النيترون تساوي تقريبا كتلة البروتون، بإهمال كتلة الإلكترون، ارجع إلى الجدول الدوري، و احسب كتلة واحد مول بالجرام من كل من الماء،N2، الرصاص، الكوارتز 2(SiO).
11- احسب كتلة مول واحد من الهواء الحاف، إذا كانت نسبة النيتروجين تمثل 78% و الأكسجين %21 و الأرجون %1.
12- احسب مقدار جذر متوسط المربعات rms لجزيء غاز النيتروجين عند درجة حرارة الغرفة.
13- إذا وضع غازا الهيدروجين و غاز الأكسجين في وعاء و في حالة اتزان حراري، فإي جزيئات الغازين سرعته أكبر ؟ و بأي مقدار ؟
14- لليورانيوم نظيران كتلتهما الذرية 238 و 235. و بفصل النظيران بعضهما عن يعض بخلط اليورانيوم بالفلور، ما ينتج عن التفاعل غاز (UF6)، و من ثم يفصل النظيران لاختلاف السرعات الحرارية للجزيئات المحتوية على نظائر مختلفة. احسب جذر متوسط المربعات عند درجة حرارة الغرفة لكل نظير.
15- خلال عاصفة من البرد، افترض أن معدل كتلة حبة البرد 2g و معدل سرعتها 15m/s. فإذا اصطدمت العاصفة بنافذة مساحتها 0.5m2 و بزاوية 45˚c بمعدل 30 حبة في الثانية، فاحسب معدل الضغط الجوي على النافذة، و قارن إجابتك بالضغط الجوي (كم ضغطا جويا ؟).
16- احسب الطاقة الحرارية الكلية للتر من غاز الهيليوم عند درجة حرارة الغرفة، ثم أعد الحساب للتر من الهواء.
17- احسب الطاقة الحرارية الكلية لجرام واحد لذرات تسهم في هذه الطاقة.
18- اكتب درجات الحرية جميعها لجزيء من بخار الماء (فكر جيدا في الطرق كلها التي يمكن أن يتذبذب بها الجزيء).
19- عند غمر مجموعة من المقاومات موصولة على التوالي بمصدر كهربائي في الماء، فهل الطاقة المنتقلة إلى الماء من المقاومات يمكن أن نعدها حرارة أو شغلا ؟ و كيف تصنف الطاقة الخارجة من المصدر الكهربائي إلى المقاومات ؟
20- أعط مثالا لكل عملية من العمليات الآتية : -ارتفاع درجة حرارة نظام دون انتقال كمية حرارة إليه. -إضافة كمية حرارة إلى النظام دون ارتفاع درجة حرارته.
21- قدر الوقت اللازم لوصول ماء موضوع في كوب إلى درجة الغليان، إذا وضع في مايكروويف قدرته 600W، و اشرح لماذا نتحدث عم كمية الحرارة هنا.
22- إذا وضعت كوبا يحتوي على 200g من الماء عند درجة حرارة 20˚C في غرفة، و بعد 10 دقائق أصبحت درجة حرارته 25˚C، فماذا تستنتج من كمية الحرارة المضافة إلى الماء ؟
23- ضع كمية من الماء داخل قارورة محكمة الإغلاق، و تحقق من أن درجة الحرارة هي درجة حرارة الغرفة، ثم رج القارورة بقوة قدر استطاعتك، و استمر في ذلك دقائق عدة، ثم قس درجة حرارة الماء. هل تستطيع حسابيا أن تقدر التغير في درجة الحرارة ؟ قارن تقديرك بدرجة الحرارة التي قستها.
24- اشتق المعادلة 40.1 من المعادلة 39.1.
25- إذا ضخ 1 لتر من الهواء في إطار دراجة عند ضغط جوي واحد ليصل إلى 7 ضغط جوي في عملية أدياباتيكية (افترض أن الهواء مكون من جزيئات ثنائية الذرة N2 و O2). (أ) احسب الحجم النهائي للغاز. (ب) احسب مقدار الشغل المنجز. (ج) إذا كانت درجة حرارة الهواء الابتدائية 300 K، فاحسب درجة الحرارة النهائية.
26- ينضغط الهواء بسرعة في محرك مكنة الديزل، ينضغط من حجمه الأصلي إلى نحو 20/1 من حجمه الأصلي، قدر درجة حرارة الهواء بعد عملية الانضغاط، قم فسر لماذا لا يحتاج محرك الديزل إلى شمعات اشتعال Spark Plugs.
27- تخيل فقاعتين A و B من الغاز تكونتا في قعر بحيرة، و تحركنا صعودا إلى سطح، و نتيجة لفرق الضغط بين قعر البحيرة و سطحها يزداد حجم الفقاعة، كلما صعدت إلى الأعلى، و خلال صعود الفقاعة A كانت سرعتها كبيرة، حيث لم نتبادل الطاقة بينها و بين الماء، و لكن الفقاعة B تحركت بسرعة بطيئة حيث كان هناك اتزان حراري بينها و بين ماء البحيرة، فأي الفقاعتين تمتلك حجما أكبر عند وصولهما إلى السطح ؟ اشرح ذلك بالتفصيل.
28- لقياس السعة الحرارية لجسم يوضع بتماس مع جسم آخر سعته الحرارية معروفة. إذا غمرت قطعة من المعدن في وعاء معزول يحتوي على ماء عند درجة حرارة (100˚ C)، ثم نقلت بسرعة إلى وعاء معزول آخر يحتوي على 250g عند درجة حرارة 20˚C. افترض أنه ليس هناك طاقة متبادلة بين النظام و محيطه، و وصل النظام إلى الاتزان الحراري. (أ) احسب كمية الحرارة التي اكتسبها الماء. (ب) احسب كمية الحرارة المفقودة من الجسم. (ج) احسب السعة الحرارية. (د) احسب السعة الحرارية النوعية للجسم إذا كانت كتلته 100g.
29- وضع جسم كتلته 340g، و سعته الحرارية 1.8J/g.C و درجة حرارته 25˚C، داخل وعاء معزول يحتوي على 1.5 لتر من الماء عند درجة الغليان (100˚C)، احسب درجة حرارة الماء النهائية.
30- احسب السعة الحرارية لكل مول من الماء بدلالة ثابت بولتزمان k. إذا افترض أن الطاقة الحرارية الكلية قد اختزنت بالصيغة التربيعية لدرجات الحرية، ما عدد درجات الحرية التي يمتلكها كل جزيء ؟
31- تم جدولة قيم Cp لبعض المواد في نهاية هذا الكتاب، فهل يمكنك حساب هذه القيم اعتمادا على نظرية تقسيم الطاقة بالتساوي ؟ و أي هذه المواد يكون القيمة المحسوبة نظريا تختلف بشكل كبير عن القيم المعطاة في الجداول ؟
32- احسب مقدار كمية الجليد اللازمة لتخفيض درج حرارة 200g من الماء من درجة الغليان إلى 65˚C (إذا كانت درجة حرارة الجليد -15˚C وسعته الحرارية النوعية 0.5cal./g.˚C).
33- إذا تكونت طبقة من الجليد على أحد الجبال سمكها 2m، و تتكون من %50 جليد و %50 هواء. و كان معدل الطاقة الشمسية في بداية فصل الربيع يساوي 1000W/m2 حيث ينعكس من هذه الطاقة نحو 90%، و يمتص الجليد %10. فكم أسبوعا تحتاج إليه طبقة الجليد لتذوب ذوبانا كاملا ؟ (افترض الطاقة الوحيدة هي الطاقة الشمسية).
34- إذا حرق مول واحد من الهيدروجين، و نصف مول من الأكسجين تحت الظروف القياسية من ضغط و درجة حرارة، فاحسب مقدار الطاقة الناتجة عن عملية الاحتراق، و الطاقة الناتجة عن الشغل المنجز عن طريق المحيط على النظام (أهمل حجم الماء).
35- تمثل عملية احتراق غاز الميثان بالمعادلة الكيميائية : CH4 (gas) +2O2 (gas) → Co2 (gas) + 2H2O (gas) إذا احترق 1 مول من غاز الميثان عند درجة حرارة 298 K و ضغط 105 pa، (أ) فاحسب التغير في الأنثلبي (ارجع إلى القوائم في نهاية الكتاب) إذا افترض جدلا تفكك مول واحد من الميثان إلى عناصره الأولية : الهيدروجين و الكربون. (ب) تخيل تكون مول واحد من CO2 و 2 مول من بخار الماء من عناصرها الأولية، احسب ∆H لهذه العملية. (ج)احسب التغير في الأنثلبي من التفاعل المباشر، حيث يتفاعل الميثان و الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون و بخار الماء. (د) احسب مقدار الحرارة الناتجة عن التفاعل في (ج). (ه) ما مقدار التغير في طاقة النظام خلال هذا التفاعل ؟ و هل تتغير إجابتك إذا كان الماء الناتج في حالة سائلة، و ليس بخارا ؟ (و) إذا افترض أن وقود الشمس عبارة عن احتراق وقود عادي كالميثان، و كانت الشمس 2 x 1030 kg و معدل انبعاث الطاقة منها 3.9 x 1026 watts، فما الفترة الزمنية التي تحتاج إليها الشمس لينفد وقودها ؟
36- احسب مقدار H∆ لاحتراق مول واحد من الجلوكوز. C6H12O6 + 602 → 6CO2 + 6H2O
37- تقدر كمية الأنثلبي الناتجة عن احتراق جالون واحد من البنزين (3.8 1iters) بنجو 31000 kcal و الأنثلبي الناتجة عن 28g من الكورن فليكس بنحو 100 kcal. قارن بين تكلفة البنزين و الكورن فليكس لكل كالوري.
38- القيمة المبينة للأنثلبي للهيدروجين في نهاية الكتاب، تمثل التغير في الأنثلبي لذرات الهيدروجين لتكون جزيء هيدروجين H2. احسب مقدار التغير في الأنثلبي اللازمة لتفكك جزيء هيدروجين واحد، بوحدات eV.
39- إذا أراد متسلق جبال يزن 60kg تسلق جبل ارتفاعه 1500m. (أ) افترض أن 25 % (كفاءة تحول) من الطاقة الكيميائية تتحول إلى شغل ينجز خلال عملية التسلق. فكم طبقا من الكورن فليكس ( الطبق يعادل 28g و يعطي 100kcal) يحتاج المتسلق إلى تناوله ليتمكن من تسلق الجبل ؟ (ب) و إذا افترض أن %75 من الطاقة الكيميائية قد تحولت إلى حرارة في جسم المتسلق، ما الارتفاع المتوقع في درجة حرارة جسمه ؟ (ج)إذا افترض أن الحرارة المنتجة في فرع (ب) تفقد عن طريق التعرق، حيث تنجز من سطح جسمه كم كوبا من الماء يحتاج إليه المتسلق للتعويض عما يفقده. (عند درجة حرارة 25˚C الحرارة الكامنة للتبخر 580 kcal /g، و هي % 8 أكثر منها عند 100˚C).
40- احسب معدل التوصيل الحراري خلال طبقة من الهواء سمكها 1mm على مساحة 1m2 إذا كان الفرق درجات الحرارة 20˚C
41- بالرجوع إلى الجداول المعتمدة، فإن قيمة R لفراغ عرضه 3.5 إنش (inch) في جدار عمودي هي 1.0 بالوحدات البريطانية، في حين يساوي 10.9 إذا كان هذا الفراغ مملوءا بالألياف الزجاجية العازلة، احسب R للفراغ نفسه إذا كان مملوءا ساكن still air سمكه 3.5 in، مقارنا إجابتك بالأجوبة السابقة.
42- قدر بصورة تقريبية مجموع معدل التوصيل الحراري المفقود خلال النوافذ، و الجدران، و الأرضية، و السقف لبيت عادي في جو بارد، ثم قدر كمية الحرارة المفقودة خلال شهر معتمدا على سعر الطاقة الكهربائية في بلدك (kwh)
43- وضعت مقلاة بيد حديدية طولها 20cm على طباخ درجة حرارته 200˚C. قدر الوقت اللازم لتصبح يد المقلاة ساخنة جدا، حيث لا تستطيع لمسها (كثافة الحديد 7.3 g/cm3، سعتها الحرارية النوعية 0.45J/g.˚C).
44- يقاس التدفق الحراري من الأرض بحفر فتح بأعماق قد تصل إلى مئات الأمتار، و تقاس درجة الحرارة على أنها دالة في العمق. افترض أنه في أحد المواقع كان تغير درجة الحرارة هو 20˚C لكل كيلومتر، و الموصلية الحرارية للصخور 2.5W/m.K، فما معدل التوصيل الحراري لكل متر مربع في هذا الموقع ؟ إذا افترض أن هذا المعدل هو نفسه في أي موقع آخر على سطح الأرض، قدر بطريقة تقريبية معدل فقدان الحرارة من الأرض عن طريق التوصيل الحراري (نصف قطر الأرض = 6400 km).
45- عند أي ضغط و درجة حرارة يمكن أن يكون معدل المسار الحر لغاز يساوي 10cm ؟
46- احسب بصورة تقريبية الموصلية الحرارية لغاز الهيليوم عند درجة حرارة الغرفة، و ناقش نتيجتك، و لماذا تختلف هذه القيمة عن موصيلة الهواء ؟
47- تخيل أنك تعيش في القرن التاسع عشر، و لا تعرف قيمة عدد أفوجادرو (أو ثابت يولتزمان، أو كتلة أو حجم الجزيء) فبين كيف يمكن لك أن تقدر قيمة عدد أفوجادرو من قياس الموصيلة الحرارية، إضافة إلى بعض القياسات الأخرى).
48- باتباع الطريقة التي استخدمت لاشتقاق الموصيلة الحرارية، اشتق معادلة تقريبية للزوجة الغاز المثالي بوصفها دالة في الكثافة، و متوسط المسار الحر و معدل السرعة الحرارية للجزيئات، ثم بين أو اللزوجة لا تعتمد على الضغط، بل تتناسب مع الجذر التربيعي لدرجة الحرارة المطلقة. و احسب قيمة اللزوجة عدديا، و قارن نتيجتك بالقيمة التي وردت في هذا الجزء.
49- إذا وضعت نقطة ملونة في وعاء يحتوي على ماء، فقدر المسافة التي ينتشر فيها اللون خلال دقيقة واحدة.
50- إذا فتحت زجاجة عطر في طرف غرفة، فكم نحتاج من الوقت لتصل رائحة العطر إلى شخص يقف في الطرف الآخر من الغرفة ؟ و هل تعتقد أن عملية الانتشار هي الآلية الأساسية في هذه العملية ؟
51- اشتق بطريقة مماثلة لاشتقاق الموصلية الحرارية، صيغة تقريبية لمعامل الانتشار للغاز المثالي بدلالة متوسط المسار الحر، و معدل السرعة الحرارية، ثم عوض في المعادلة عدديا، و قارن إجابتك بقيم معامل الانتشار للغاز المثالي، ثم بين كيف تعتمد D على T عند ثبوت الضغط.
