Thermodynamics · ⁨ديناميكا حرارية⁩

AP Physics 2 · ⁨AP الفيزياء 2⁩ · Topic 9 · ⁨الموضوع 9⁩

View Slides · ⁨عرض الشرائح⁩ Train · ⁨تدريب⁩

Video lesson for this topic · ⁨درس فيديو لهذا الموضوع⁩ Open the video page · ⁨افتح صفحة الفيديو⁩

9.1

Kinetic Theory of Temperature and Pressure · ⁨النظرية الحركية للحرارة والضغط⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.1.A: Describe the pressure a gas exerts on its container in terms of atomic motion within that gas.

9.1.A.1 Atoms in a gas collide with and exert forces on other atoms in the gas and with the container in which the gas is contained.
- 9.1.A.1.i Collisions involving pairs of atoms or an atom and a fixed object can be described and analyzed using conservation of momentum principles.
- 9.1.A.1.ii The pressure exerted by a gas on a surface is the ratio of the sum of the magnitudes of the perpendicular components of the forces exerted by the gas's atoms on the surface to the area of the surface.
  - Equation: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
- 9.1.A.1.iii Pressure exists throughout the gas itself, not just at the boundary between the gas and the container.

Learning Objective 9.1.B: Describe the temperature of a system in terms of the atomic motion within that system.

9.1.B.1 The temperature of a system is characterized by the average kinetic energy of the atoms within that system.
- 9.1.B.1.i The Maxwell–Boltzmann distribution provides a graphical representation of the energies and speeds of atoms at a given temperature.
- 9.1.B.1.ii The root-mean-square speed corresponding to the average kinetic energy for an ideal gas is related to the temperature of the gas by
  - Equation: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

Boundary statement: AP Physics 2 only expects students to perform qualitative and quantitative analysis of collisions in one and two dimensions. Students are not expected to know the functional form of the Maxwell-Boltzmann distribution but are expected to be familiar with how features of the distribution are related to the temperature of the gas.

العربية

الهدف التعليمي 9.1.A: وصف الضغط الذي يبذله الغاز على حاويته بدلالة الحركة الذرية داخل ذلك الغاز.

9.1.A.1 تتصادم ذرات الغاز مع بعضها البعض وتبذل قوى عليها، وتتصادم مع الحاوية التي يحتوي فيها الغاز.
- 9.1.A.1.i يمكن وصف وتحليل التصادمات التي تتضمن أزواجًا من الذرات أو ذرة وجسم ثابت باستخدام مبادئ حفظ الزخم.
- 9.1.A.1.ii الضغط الذي يبذله الغاز على سطح ما هو نسبة مجموع مقادير المركبات العمودية للقوى التي تبذلها ذرات الغاز على السطح إلى مساحة السطح.
  - معادلة: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
- 9.1.A.1.iii يوجد الضغط داخل الغاز نفسه، وليس فقط عند الحد الفاصل بين الغاز والحاوية.

الهدف التعليمي 9.1.B: وصف درجة حرارة النظام بدلالة الحركة الذرية داخل ذلك النظام.

9.1.B.1 تتميز درجة حرارة نظام ما بمتوسط الطاقة الحركية للذرات داخل ذلك النظام.
- 9.1.B.1.i يوفر توزيع ماكسويل-بولتزمان تمثيلًا بيانيًا لطاقات وسرعات الذرات عند درجة حرارة معينة.
- 9.1.B.1.ii ترتبط السرعة الجذرية المتوسطة المربعة المقابلة لمتوسط الطاقة الحركية لغاز مثالي بدرجة حرارة الغاز بواسطة
  - معادلة: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

عبارة الحدود: يتوقع من طلاب AP Physics 2 فقط إجراء تحليل نوعي وكمي للتصادمات في بُعد واحد وبُعدَين. لا يُتوقع من الطلاب معرفة الصيغة الدالة لتوزيع ماكسويل-بولتزمان، لكن يُتوقع منهم الإلمام بكيفية ارتباط ميزات التوزيع بدرجة حرارة الغاز.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Kinetic theory: gas pressure

Thermodynamics 热力学 studies heat and energy in large collections of particles. The kinetic theory 分子运动论 explains gas behavior from the random motion of its molecules:

Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the molecules: $K_{\text{avg}}=\tfrac{3}{2}k_B T$ (with $T$ in kelvin). Hotter means faster-moving molecules.
Pressure 压强 comes from molecules colliding with the container walls – more frequent or harder collisions give more pressure.

Worked example. Find the average kinetic energy of a gas molecule at $300\ \text{K}$, using $k_B=1.38\times10^{-23}\ \text{J/K}$:

$$K_{\text{avg}}=\tfrac32 k_B T=1.5\times1.38\times10^{-23}\times300=6.2\times10^{-21}\ \text{J}.$$

It depends only on temperature, not on the type of gas – at the same $T$, light and heavy molecules share the same average kinetic energy (so the light ones move faster).

العربية

النظرية الحركية: ضغط الغاز

دراسة الديناميكا الحرارية تدرس الحرارة والطاقة في المجموعات الكبيرة من الجسيمات. تشرح النظرية الحركية سلوك الغاز من الحركة العشوائية لجزيئاته:

الفرضيات الرئيسية للنظرية الحركية للغاز المثالي — الافتراضات الرئيسية للنظرية الحركية للغاز المثالي

درجة الحرارة هي مقياس لـ متوسط الطاقة الحركية للجزيئات: $K_{\text{avg}}=\tfrac{3}{2}k_B T$ (مع $T$ بالكلفن). hotter تعني جزيئات تتحرك بسرعة أكبر.
الضغط ناتج عن تصادم الجزيئات بجدران الحاوية – التصادمات الأكثر تكراراً أو القوية تعطي ضغطاً أكثر.

توزيع ماكسويل-بولتزمان للسرعة يتحرك لليمين ويصبح مسطحاً عند درجة حرارة أعلى — يتحرك توزيع ماكسويل-بولتمان للسرعة لليمين ويصبح مسطحاً عند درجة حرارة أعلى

مثال محلول. أوجد متوسط الطاقة الحركية لجزيء غاز عند $300\ \text{K}$، باستخدام $k_B=1.38\times10^{-23}\ \text{J/K}$:

$$K_{\text{avg}}=\tfrac32 k_B T=1.5\times1.38\times10^{-23}\times300=6.2\times10^{-21}\ \text{J}.$$

تعتمد فقط على درجة الحرارة، وليس على نوع الغاز – عند نفس $T$، الجزيئات الخفيفة والثقيلة تشترك في نفس متوسط الطاقة الحركية (لذلك تتحرك الخفيفة بسرعة أكبر).

Explore · ⁨استكشف⁩

Explore the spread of molecular speeds · ⁨استكشف انتشار سرعات الجزيئات⁩

Raise the temperature and watch the whole speed distribution shift right and flatten — the particles move faster on average, which is exactly what $\bar K = \tfrac{3}{2} k_B T$ means. · ⁨ارفع درجة الحرارة ولاحظ انتقال توزيع السرعات بالكامل نحو اليمين وتسطحه — تتحرك الجزيئات بمتوسط أسرع، وهو بالضبط ما يعنيه $\bar K = \tfrac{3}{2} k_B T$.⁩

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.2

The Ideal Gas Law · ⁨قانون الغاز المثالي⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.2.A: Describe the properties of an ideal gas.

9.2.A.1 The classical model of an ideal gas assumes that the instantaneous velocities of atoms are random, the volumes of the atoms are negligible compared to the total volume occupied by the gas, the atoms collide elastically, and the only appreciable forces on the atoms are those that occur during collisions.
9.2.A.2 An ideal gas is one in which the relationships between pressure, volume, the number of moles or number of atoms, and temperature of a gas can be modeled using the equation
- Equation: $PV = nRT = N k_B T$
9.2.A.3 Graphs modeling the pressure, temperature, and volume of gases can be used to describe or determine properties of that gas.
9.2.A.4 A temperature at which an ideal gas has zero pressure can be extrapolated from a graph of pressure as a function of temperature.

العربية

الهدف التعليمي 9.2.A: وصف خصائص الغاز المثالي.

9.2.A.1 يفترض النموذج الكلاسيكي للغاز المثالي أن سرعات الذرات اللحظية عشوائية، وأن أحجام الذرات مهملة مقارنة بالحجم الكلي الذي يشغله الغاز، وأن الذرات تتصادم مرناً، والقوى الوحيدة الملحوظة المؤثرة على الذرات هي تلك التي تحدث أثناء التصادمات.
9.2.A.2 الغاز المثالي هو غاز يمكن نمذجة العلاقات فيه بين الضغط والحجم وعدد المولات أو عدد الذرات ودرجة الحرارة باستخدام المعادلة
- المعادلة: $PV = nRT = N k_B T$
9.2.A.3 يمكن استخدام الرسوم البيانية التي تنمذج الضغط ودرجة الحرارة والحجم للغازات لوصف أو تحديد خصائص ذلك الغاز.
9.2.A.4 يمكن استنتاج درجة الحرارة التي يكون عندها الغاز المثالي ضغطًا صفريًا من رسم بياني للضغط بدلالة درجة الحرارة.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

An ideal gas 理想气体 obeys

$$PV=nRT \qquad(\text{or } PV=Nk_B T),$$

linking pressure $P$, volume $V$, amount ($n$ moles or $N$ molecules), and absolute temperature $T$. Use it to predict how a gas responds when you change one quantity and hold others fixed (e.g. heating at constant volume raises pressure).

Worked example. A sealed rigid container of gas is at $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ and $300\ \text{K}$. It is heated to $450\ \text{K}$. Because the volume and amount are fixed, $P/T$ is constant:

$$P_2=P_1\frac{T_2}{T_1}=1.0\times10^{5}\times\frac{450}{300}=1.5\times10^{5}\ \text{Pa}.$$

Always convert temperatures to kelvin before using a gas law – using Celsius here would give nonsense.

العربية

جبل جليدي: الحرارة والكثافة والتغيرات الطورية تربط الديناميكا الحرارية بالموائع والطفو

الغاز المثالي يخضع لـ

$$PV=nRT \qquad(\text{or } PV=Nk_B T),$$

ربط الضغط $P$، الحجم $V$، الكمية ($n$ مول أو $N$ جزيء)، ودرجة الحرارة المطلقة $T$. استخدمه للتنبؤ بكيفية استجابة الغاز عند تغيير كمية واحدة وإبقاء الأخرى ثابتة (مثل التسخين عند ثبات الحجم يرفع الضغط).

قانون بويل: عند درجة حرارة ثابتة، حاصل ضرب الضغط والحجم ثابت

مثال محلول. وعاء صلب مغلق يحتوي على غاز عند $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ و$300\ \text{K}$. يتم تسخينه إلى $450\ \text{K}$. بما أن الحجم والكمية ثابتان، فإن $P/T$ ثابت:

$$P_2=P_1\frac{T_2}{T_1}=1.0\times10^{5}\times\frac{450}{300}=1.5\times10^{5}\ \text{Pa}.$$

قم دائماً بتحويل درجات الحرارة إلى كلفن قبل استخدام قانون الغازات – استخدام المئوي هنا سيعطي نتائج غير منطقية.

منطاد هواء ساخن يرتفع في السماء — تسخين الغاز داخل المنطاد يقلل من كثافته، لذلك يرتفع المنطاد – قانون الغاز المثالي في العمل

Explore · ⁨استكشف⁩

Explore squeezing a gas · ⁨استكشف ضغط الغاز بالضغط عليه⁩

Slide the piston in to shrink the volume. The same particles are crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while $PV$ stays constant at fixed temperature. · ⁨ادفع المكبس للداخل لتقليص الحجم. نفس الجزيئات محشورة في مساحة أقل، فتصطدم بالجدران بشكل متكرر ويصعد الضغط — بينما يظل $PV$ ثابتًا عند درجة حرارة محددة.⁩

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.3

Thermal Energy Transfer and Equilibrium · ⁨انتقال الطاقة الحرارية والتوازن⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.3.A: Describe the transfer of energy between two systems in thermal contact due to temperature differences of those two systems.

9.3.A.1 Two systems are in thermal contact if the systems may transfer energy by thermal processes.
- 9.3.A.1.i Heating is the transfer of energy into a system by thermal processes.
- 9.3.A.1.ii Cooling is the transfer of energy out of a system by thermal processes.
9.3.A.2 The thermal processes by which energy may be transferred between systems at different temperatures are conduction, convection, and radiation.
9.3.A.3 Energy is transferred through thermal processes spontaneously from a higher-temperature system to a lower-temperature system.
- 9.3.A.3.i In collisions between atoms from different systems, energy is most likely to be transferred from higher-energy atoms to lower-energy atoms.
- 9.3.A.3.ii After many collisions of atoms from different systems, the most probable state is one in which both systems have the same temperature.
9.3.A.4 Thermal equilibrium results when no net energy is transferred by thermal processes between two systems in thermal contact with each other.

العربية

الهدف التعليمي 9.3.A: وصف انتقال الطاقة بين نظامين في تماس حراري نتيجة لاختلاف درجتي حرارتهما.

9.3.A.1 يكون النظامان في تماس حراري إذا كان بإمكانهما نقل الطاقة عبر عمليات حرارية.
- 9.3.A.1.i التدفئة هي نقل الطاقة إلى نظام ما عبر عمليات حرارية.
- 9.3.A.1.ii التبريد هو نقل الطاقة خارج نظام ما عبر عمليات حرارية.
9.3.A.2 العمليات الحرارية التي يمكن من خلالها نقل الطاقة بين أنظمة ذات درجات حرارة مختلفة هي التوصيل، والحمل، والإشعاع.
9.3.A.3 تنتقل الطاقة عبر العمليات الحرارية تلقائيًا من نظام عالي درجة الحرارة إلى نظام منخفض درجة الحرارة.
- 9.3.A.3.i في التصادمات بين ذرات من أنظمة مختلفة، من المرجح أن تُنتقل الطاقة من ذرات عالية الطاقة إلى ذرات منخفضة الطاقة.
- 9.3.A.3.ii بعد عدد كبير من تصادمات الذرات من أنظمة مختلفة، تكون الحالة الأكثر احتمالًا هي الحالة التي يكون فيها لكلا النظامين نفس درجة الحرارة.
9.3.A.4 ينتج التوازن الحراري عندما لا يتم نقل أي طاقة صافية عبر العمليات الحرارية بين نظامين متصدين حراريًا ببعضهما البعض.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Heat 热量 $Q$ is energy transferred because of a temperature difference; it flows from hot to cold. Two objects in contact reach thermal equilibrium 热平衡 when they share the same temperature, and net heat flow stops. The three transfer methods are conduction 传导, convection 对流, and radiation 辐射.

العربية

الحرارة $Q$ هي طاقة تنتقل بسبب فرق في درجة الحرارة؛ تتدفق من الساخن إلى البارد. جسمان في تلامس يصلان إلى التوازن الحراري عندما يشتركان في نفس درجة الحرارة، ويتوقف تدفق الحرارة الصافي. طرق النقل الثلاث هي التوصيل والحمل والإشعاع.

Explore · ⁨استكشف⁩

Add heat and watch the temperature · ⁨أضف الحرارة وراقب درجة الحرارة⁩

Adding heat usually raises temperature, but during a phase change the temperature holds flat while the energy breaks bonds. Two bodies in contact settle at one temperature — thermal equilibrium. · ⁨إضافة الحرارة ترفع عادةً درجة الحرارة، ولكن خلال التحول الطوري تبقى درجة الحرارة ثابتة بينما تكسر الطاقة الروابط. جسمان في تلامس يستقران عند درجة حرارة واحدة — الاتزان الحراري.⁩

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.4

The First Law of Thermodynamics · ⁨القانون الأول للديناميكا الحرارية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.4.A: Describe the internal energy of a system.

9.4.A.1 The internal energy of a system is the sum of the kinetic energy of the objects that make up the system and the potential energy of the configuration of those objects.
- 9.4.A.1.i The atoms in an ideal gas do not interact with each other via conservative forces, and the internal structure is not considered. Therefore, an ideal gas does not have internal potential energy.
- 9.4.A.1.ii The internal energy of an ideal monatomic gas is the sum of the kinetic energies of the constituent atoms in the gas.
  - Equation: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
9.4.A.2 Changes to a system's internal energy can result in changes to the internal structure and internal behavior of that system without changing the motion of the system's center of mass.

Learning Objective 9.4.B: Describe the behavior of a system using thermodynamic processes.

9.4.B.1 The first law of thermodynamics is a restatement of conservation of energy that accounts for energy transferred into or out of a system by work, heating, or cooling.
- 9.4.B.1.i For an isolated system, the total energy is constant.
- 9.4.B.1.ii For a closed system, the change in internal energy is the sum of energy transferred to or from the system by heating, or work done on the system.
  - Equation: $\Delta U = Q + W$
- 9.4.B.1.iii The work done on a system by a constant or average external pressure that changes the volume of that system (for example, a piston compressing a gas in a container) is defined as
  - Equation: $W = -P \Delta V$
9.4.B.2 Pressure-volume graphs (also known as PV diagrams) are representations used to represent thermodynamic processes.
- 9.4.B.2.i Lines of constant temperature on a PV diagram are called isotherms.
- 9.4.B.2.ii The absolute value of the work done on a gas when the gas expands or compresses is equal to the area underneath the curve of a plot of pressure vs. volume for the gas.
9.4.B.3 Special cases of thermal processes depend on the relationship between the configuration of the system, the nature of the work done on the system, and the system's surroundings. These include constant volume (isovolumetric), constant temperature (isothermal), and constant pressure (isobaric), as well as processes where no energy is transferred to or from the system through thermal processes (adiabatic).

العربية

الهدف التعليمي 9.4.A: وصف الطاقة الداخلية لنظام ما.

9.4.A.1 الطاقة الداخلية للنظام هي مجموع الطاقة الحركية للأجسام المكونة للنظام والطاقة الكامنة لتلك التكوينات.
- 9.4.A.1.i لا تتفاعل ذرات الغاز المثالي مع بعضها البعض عبر قوى محتفظة، ولا يُؤخذ في الاعتبار البنية الداخلية. لذلك، لا يمتلك الغاز المثالي طاقة كامنة داخلية.
- 9.4.A.1.ii الطاقة الداخلية لغاز أحادي الذرة مثالي هي مجموع الطاقات الحركية للذرات المكونة له في الغاز.
  - معادلة: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
9.4.A.2 يمكن أن تؤدي التغييرات في الطاقة الداخلية لنظام ما إلى تغييرات في بنيته الداخلية وسلوكه الداخلي دون تغيير حركة مركز كتلة ذلك النظام.

الهدف التعليمي 9.4.B: صف سلوك نظام باستخدام العمليات الديناميكية الحرارية.

9.4.B.1 قانون الديناميكا الحرارية الأول هو إعادة صياغة لمبدأ حفظ الطاقة يأخذ في الاعتبار الطاقة المنتقلة إلى أو من نظام ما عن طريق الشغل، أو التسخين، أو التبريد.
- 9.4.B.1.i بالنسبة لنظام معزول، تكون الطاقة الكلية ثابتة.
- 9.4.B.1.ii بالنسبة لنظام مغلق، يكون التغير في الطاقة الداخلية هو مجموع الطاقة المنتقلة إلى أو من النظام عن طريق التسخين، أو الشغل المبذول على النظام.
  - معادلة: $\Delta U = Q + W$
- 9.4.B.1.iii الشغل المبذول على نظام بواسطة ضغط خارجي ثابت أو متوسط يغير حجم ذلك النظام (على سبيل المثال، مكبس يضغط غازاً في حاوية) يُعرف بـ
  - معادلة: $W = -P \Delta V$
9.4.B.2 مخططات الضغط-الحجم (تُعرف أيضاً بمخططات PV) هي تمثيلات تُستخدم لتمثيل العمليات الديناميكية الحرارية.
- 9.4.B.2.i تسمى خطوط درجة الحرارة الثابتة على مخطط PV بخطوط متساوية الحرارة.
- 9.4.B.2.ii القيمة المطلقة للشغل المبذول على غاز عند تمدده أو انضغاطه تساوي المساحة تحت منحنى رسم الضغط مقابل الحجم لذلك الغاز.
9.4.B.3 الحالات الخاصة للعمليات الحرارية تعتمد على العلاقة بين تكوين النظام، وطبيعة الشغل المبذول عليه، ومحيطه. وتشمل هذه الحالات: الحجم الثابت (متساوي الحجم)، ودرجة الحرارة الثابتة (متساوية الحرارة)، والضغط الثابت (متساوي الضغط)، بالإضافة إلى العمليات التي لا تنتقل فيها طاقة إلى أو من النظام عبر عمليات حرارية (أدياباتي).

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

The first law 热力学第一定律 is conservation of energy for a gas:

$$\Delta U = Q + W,$$

where $\Delta U$ is the change in internal energy 内能 (tied to temperature), $Q$ is heat added to the gas, and $W$ is work done on the gas. On a pressure–volume diagram, the work done by the gas is the area under the process curve. Watch signs: compressing a gas does positive work on it.

Worked example. A gas absorbs $500\ \text{J}$ of heat and, as it expands, does $200\ \text{J}$ of work on its surroundings. Find the change in its internal energy. Work done on the gas is $W=-200\ \text{J}$ (it does work, so it loses that energy):

$$\Delta U=Q+W=500+(-200)=300\ \text{J}.$$

The internal energy rises by $300\ \text{J}$, so the gas ends up hotter. Getting the sign of $W$ right is the whole game in first-law problems.

العربية

القانون الأول هو قانون حفظ الطاقة للغاز:

$$\Delta U = Q + W,$$

حيث $\Delta U$ هو التغير في الطاقة الداخلية (مرتبط بدرجة الحرارة)، $Q$ هو الحرارة المضافة إلى الغاز، و$W$ هو الشغل المبذول على الغاز. في مخطط الضغط-الحجم، يكون الشغل المبذول من قبل الغاز مساويًا للمساحة تحت منحنى العملية. انتبه للإشارات: ضغط الغاز يبذل شغلًا موجبًا عليه.

يُشغّل غاز مكبسًا لمسافة صغيرة، فيكون الشغل مساويًا لـ p مضروبًا في التغير في الحجم

العمليات الترموديناميكية الأربع المرسومة انطلاقًا من حالة ابتدائية مشتركة على مخطط P-V *العمليات الديناميكية الحرارية الأربع المرسومة من حالة بداية مشتركة على مخطط PV

*الشغل المبذول أثناء تغير الحجم يساوي المساحة تحت منحنى P-V

مثال محلول. يمتص غاز $500\ \text{J}$ من الحرارة، وعند تمدده، يُبذله $200\ \text{J}$ من الشغل على محيطه. أوجد التغير في طاقته الداخلية. الشغل المبذول على الغاز هو $W=-200\ \text{J}$ (لأنه يُبذله شغلًا، فهو يفقد تلك الطاقة):

$$\Delta U=Q+W=500+(-200)=300\ \text{J}.$$

تزداد الطاقة الداخلية بمقدار $300\ \text{J}$، مما يجعل الغاز أكثر سخونة. تحديد الإشارة الصحيحة لـ $W$ هو جوهر حل مسائل القانون الأول للديناميكا الحرارية.

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.5

Specific Heat and Thermal Conductivity · ⁨الحرارة النوعية والتوصيل الحراري⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.5.A: Describe the energy required to change the temperature of an object by a certain amount.

9.5.A.1 The amount of energy required to change the temperature of a material is related to the material's specific heat.
- Equation: $Q = mc\Delta T$
9.5.A.2 The specific heat of a material is an intrinsic property of that material that depends on the arrangement and interactions of the atoms that make up the material.

Learning Objective 9.5.B: Describe the rate at which energy is transferred by conduction through a given material.

9.5.B.1 The rate at which energy is transferred by conduction through a given material is related to the thermal conductivity, the physical dimensions of the material, and the temperature difference across the material.
- Equation: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
9.5.B.2 The thermal conductivity of a material is an intrinsic property of that material that depends on the arrangement and interactions of the atoms that make up the material.

Boundary statement: AP Physics 2 will model specific heat as independent of temperature.

العربية

الهدف التعليمي 9.5.A: صف الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة جسم بمقدار معين.

9.5.A.1 كمية الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة مادة ما ترتبط بالسعة الحرارية تلك المادة.
- المعادلة: $Q = mc\Delta T$
9.5.A.2 السعة الحرارية للمادة هي خاصية فطرية لتلك المادة تعتمد على ترتيب وتفاعلات الذرات المكونة لها.

الهدف التعليمي 9.5.B: صف معدل انتقال الطاقة بالتوصيل عبر مادة معينة.

9.5.B.1 يرتبط معدل انتقال الطاقة بالتوصيل عبر مادة معينة بالموصلية الحرارية، والأبعاد الفيزيائية للمادة، وفرق درجات الحرارة عبرها.
- المعادلة: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
9.5.B.2 الموصلية الحرارية للمادة هي خاصية فطرية لتلك المادة تعتمد على ترتيب وتفاعلات الذرات المكونة لها.

بيان الحدود: سيصوّر AP Physics 2 السعة الحرارية باعتبارها مستقلة عن درجة الحرارة.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Specific heat 比热容 $c$ is the heat needed to raise one kilogram by one degree: $Q=mc\,\Delta T$. A high specific heat (like water's) means a substance resists temperature change.
Thermal conductivity 热导率 measures how fast heat conducts through a material; the rate of conduction rises with area and temperature difference and falls with thickness.

Worked example. How much heat raises the temperature of $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $80\,{}^{\circ}\text{C}$? Water's specific heat is $c=4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$:

$$Q=mc\,\Delta T=2.0\times4200\times(80-20)=5.0\times10^{5}\ \text{J}.$$

Water's large specific heat is why it is used as a coolant and why coastal climates are mild.

العربية

الحرارة النوعية $c$ هي الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوغرام واحد بمقدار درجة واحدة: $Q=mc\,\Delta T$. إن الحرارة النوعية العالية (كخاصية الماء) تعني أن المادة تقاوم تغير درجة حرارتها.
التوصيل الحراري يقيس سرعة انتقال الحرارة عبر مادة؛ حيث تزداد معدل التوصيل مع زيادة مساحة السطح وفرق درجات الحرارة، وينخفض بزيادة السماكة.

التوصيل: جسيمات مهتزة تنقل الطاقة عبر قضيب معدني

مثال محلول. كم مقدار الحرارة اللازم لرفع درجة حرارة $2.0\ \text{kg}$ من الماء من $20\,{}^{\circ}\text{C}$ إلى $80\,{}^{\circ}\text{C}$؟ الحرارة النوعية للماء هي $c=4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$:

$$Q=mc\,\Delta T=2.0\times4200\times(80-20)=5.0\times10^{5}\ \text{J}.$$

إن الحرارة النوعية الكبيرة للماء هي السبب في استخدامه كمبرد ولماذا تكون المناخات الساحلية معتدلة.

Explore · ⁨استكشف⁩

Explore how much energy heats a material · ⁨استكشف مقدار الطاقة اللازمة لتسخين مادة⁩

Pick a material, set the mass and temperature rise, and read the energy from $Q = mc\,\Delta T$. Water needs far more energy than the metals to warm by the same amount. · ⁨اختر مادة، وحدد الكتلة وارتفاع درجة الحرارة، واقرأ الطاقة من $Q = mc\,\Delta T$. تحتاج الماء طاقة أكبر بكثير من المعادن لتسخين بنفس المقدار.⁩

Vocabulary · ⁨مفردات⁩ Train · ⁨تدريب⁩

English	العربية
Thermodynamics/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/	ديناميكا حرارية
kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/	النظرية الحركية
Temperature/ˈtemprɪtʃə/	درجة الحرارة
Pressure/ˈpreʃə/	الضغط
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/	غاز مثالي
Heat/hiːt/	الحرارة
thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/	التوازن الحراري
conduction/kənˈdʌkʃn/	التوصيل
convection/kənˈvekʃn/	الحمل
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/	الإشعاع
first law/fɜːst lɔː/	القانون الأول
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/	الطاقة الداخلية
Specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/	الحرارة النوعية
Thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/	التوصيل الحراري
Entropy/ˈentrəpi/	الإنتروبيا
second law/ˈsekənd lɔː/	القانون الثاني

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.6

Entropy and the Second Law of Thermodynamics · ⁨الإنتروبي والقانون الثاني للديناميكا الحرارية⁩

Syllabus · ⁨المنهج⁩

English

Learning Objective 9.6.A: Describe the change in entropy for a given system over time.

9.6.A.1 The second law of thermodynamics states that the total entropy of an isolated system can never decrease and is constant only when all processes the system undergoes are reversible.
9.6.A.2 Entropy can be qualitatively described as the tendency of energy to spread or the unavailability of some of the system's energy to do work.
- 9.6.A.2.i Localized energy will tend to disperse and spread out.
- 9.6.A.2.ii Entropy is a state function and therefore only depends on the current state or configuration of a system, not how the system reached that state.
- 9.6.A.2.iii Maximum entropy occurs when a system is in thermodynamic equilibrium.
9.6.A.3 The change in a system's entropy is determined by the system's interactions with its surroundings.
- 9.6.A.3.i Isolated systems spontaneously move toward thermodynamic equilibrium.
- 9.6.A.3.ii The entropy of an isolated system never decreases, but the entropy of a closed system can decrease because energy can be transferred into or out of the system.

Boundary statement: Only qualitative treatment of the second law of thermodynamics is within the scope of AP Physics 2.

العربية

الهدف التعليمي 9.6.A: صف التغير في الإنتروبيا لنظام معين بمرور الزمن.

9.6.A.1 ينص قانون الديناميكا الحرارية الثاني على أن إجمالي إنتروبيا نظام معزول لا يمكن أن ينخفض أبداً، ويكون ثابتاً فقط عندما تكون جميع العمليات التي يخضع لها النظام عكوسة.
9.6.A.2 يمكن وصف الإنتروبيا بشكل نوعي على أنها ميل الطاقة للانتشار أو عدم إمكانية استخدام جزء من طاقة النظام لأداء الشغل.
- 9.6.A.2.i ستتميز الطاقة المركزة بالانتشار والتوزع.
- 9.6.A.2.ii الإنتروبيا دالة حالة وبالتالي تعتمد فقط على الحالة الحالية أو تكوين النظام، وليس على كيفية وصول النظام إلى تلك الحالة.
- 9.6.A.2.iii يحدث أقصى انتروبية عندما يكون النظام في توازن ديناميكي حراري.
9.6.A.3 يُحدد التغير في إنتروبيا النظام بتفاعلاته مع محيطه.
- 9.6.A.3.i تتحرك الأنظمة المعزولة تلقائياً نحو التوازن الديناميكي الحراري.
- 9.6.A.3.ii لا تنخفض إنتروبيا النظام المعزول أبداً، لكن إنتروبيا النظام المغلق يمكن أن تنخفض لأن الطاقة يمكن أن تنتقل إلى أو من النظام.

بيان الحدود: يقتصر نطاق AP Physics 2 على المعالجة النوعية لقانون الديناميكا الحرارية الثاني.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨المصدر: وصف دورة وامتحان College Board AP⁩

English

Entropy 熵 measures the disorder, or the number of ways to arrange, a system. The second law 热力学第二定律: the total entropy of an isolated system never decreases – energy naturally spreads out. This sets the direction of processes: heat flows hot→cold on its own, never the reverse, and no engine can convert heat entirely into work.

العربية

الإنتروبي يقيس عدم الانتظام، أو عدد الطرق الممكنة لترتيب النظام. القانون الثاني: لا ينقص أبدًا إجمالي إنتروبي نظام معزول – فالطاقة تنتشر طبيعيًا. هذا يحدد اتجاه العمليات: تتدفق الحرارة تلقائيًا من الساخن إلى البارد، ولا العكس، ولا يمكن لأي محرك تحويل الحرارة كليًا إلى شغل.

Watch lesson · ⁨شاهد الدرس⁩

9.6

Exam tips · ⁨نصائح للامتحان⁩

English

Always convert temperatures to kelvin ($T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273$) before using any gas law.
In the first law $\Delta U = Q + W$, get the sign of $W$ right: work done on the gas is positive; when the gas expands and does work on its surroundings, $W$ is negative.
Temperature measures the average kinetic energy of particles, so at the same $T$ lighter molecules move faster.
On a PV diagram the work done by the gas is the area under the process curve.
Use $Q=mc\,\Delta T$ for temperature change; the second law fixes the direction — heat flows hot→cold and total entropy never decreases.

العربية

حول دائمًا درجات الحرارة إلى كلفن ($T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273$) قبل استخدام أي قانون للغاز.
في القانون الأول $\Delta U = Q + W$، حدد إشارة $W$ بشكل صحيح: الشغل المبذول على الغاز موجب؛ وعندما يتمدد الغاز ويُبذله شغلًا على محيطه، فإن $W$ يكون سالبًا.
درجة الحرارة تقيس متوسط الطاقة الحركية للجسيمات، لذا عند نفس $T$، تتحرك الجزيئات الخفيفة أسرع.
في مخطط PV، يكون الشغل المبذول من قبل الغاز هو المساحة تحت منحنى العملية.
استخدم $Q=mc\,\Delta T$ لتغير درجة الحرارة؛ يحدد القانون الثاني الاتجاه – تتدفق الحرارة من الساخن إلى البارد ولا ينقص الإجمالي ever.

Interactive lessons on this topic · ⁨دروس تفاعلية حول هذا الموضوع⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨ا-working عليه خطوة بخطوة، مع تمارين تحقق فوري.⁩

Past Papers · ⁨أوراق الامتحانات السابقة⁩

More topics in AP Physics 2 · ⁨AP الفيزياء 2⁩ · ⁨المزيد من المواضيع في AP Physics 2 · ⁨AP الفيزياء 2⁩⁩