B.4 · الديناميكا الحرارية

يتناول هذا المستند موضوعات مختارة من المرحلة HL للمادة التي تم تقييمها لأول مرة في 2025؛ وهو لا يمثل المنهج الدراسي بأكمله.

المؤهلات السابقة: قراءة الكميات والوحدات المحددة، واستخدام العمليات الحسابية وشروط النموذج أدناه.

الأمثلة أصيلة ومخترعة: فهي ليست قياسات حقيقية أو تحقيقات طلابية فعلية.

ما الذي قد يفسر هذه الملاحظة؟

• يمكن ضغط الغاز ليصبح ساخناً حتى بدون مصدر حراري. الشغل هو مسار آخر لنقل الطاقة إلى النظام.

بنِ النموذج

• الطاقة الداخلية خاصية للنظام المختار.
• الحرارة والشغل يصفان انتقال الطاقة عبر حدود النظام.
• بالنسبة لغاز مثالي أحادي الذرة، تعتمد الطاقة الداخلية على درجة الحرارة والكمية.
• أدياباتي: عملية لا يحدث فيها انتقال حراري.
• الطاقة الداخلية: مجموع الطاقة الحركية والكامنة المجهرية للنظام.

اختر الأدلة القادرة على اختبار النموذج

• حدد قاعدة إشارات قبل استخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية.
• هنا التغير في الطاقة الداخلية يساوي الحرارة الداخلة إلى النظام ناقص الشغل المبذول بواسطة النظام.
• شغل التمدد قد يقلل الطاقة الداخلية عندما لا تدخل حرارة.

في المختبر: حدد ما إذا كانت العملية متساوية الحرارة أو أدياباتية أو عند حجم ثابت. على رسم بياني للضغط والحجم، المساحة تحت منحنى العملية تعطي الشغل المبذول بواسطة الغاز. المسار مهم للشغل حتى لو تطابقت النقاط النهائية.

اعمل من الكميات المعروفة

• معلوم: اكتسب الغاز 300 J بالتسخين وبذل 120 J من الشغل.
• بما أن ΔU = Q-W، فإن ΔU = 300-120 = 180 J.
• للانضغاط الأدياباتي، Q=0 والشغل المبذول بواسطة الغاز سالب، لذا تكون ΔU موجبة.

دورك الآن: اكتسب غاز 500 J من الحرارة وبذل 200 J من الشغل. احسب التغير في الطاقة الداخلية.

تحقق من الاستنتاج وحدوده

• لا يعني المصطلح "أدياباتي" ثبات درجة الحرارة.
• التزم بالإشارة المعتمدة؛ قد تكتب بعض الدورات الشغل المبذول على الغاز بإشارة معاكسة.

غير صحيح: كل عملية أدياباتي لها درجة حرارة ثابتة. يحدد الأدياباتي انتقال الحرارة (Q = 0)، وليس درجة الحرارة. يرفع الانضغاط الأدياباتي درجة الحرارة - كسخون مضخة الدراجة - وينخفض في التوسع الأدياباتي. العملية ذات درجة الحرارة الثابتة هي الأيزوثرمية، وليست الأدياباتي.

المفتاح:

• الطاقة الداخلية هي خاصية للنظام المختار.
• حدد قاعدة إشارات قبل استخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية.
• انتبه: الأدياباتي لا يعني ثبات درجة الحرارة.

اكتب بناءً على تغير في الطاقة الداخلية قدره 450 J

• اكتسب الغاز 800 جول من الحرارة وبذل شغلًا قدره 350 جول.
• جد التغير في الطاقة الداخلية. يعني الأدياباتي عدم وجود انتقال للحرارة، وليس ثبات درجة الحرارة.

اكتب بناءً على حساب إيزوثرمي

• يتمدد غاز ببطء عند ثبوت درجة الحرارة، مبذولاً 200 J من الشغل.
• ΔU = 0، لذا Q = W = 200 J: تدخل الحرارة بنفس معدل خروج الشغل — الإيزوثرم هو توازن، وليس غيابًا للطاقة.

اكتب بناءً على صافي دورة

• خلال دورة كاملة يمتص الغاز 500 J ويرفض 300 J.
• الشغل الصافي = 500 − 300 = 200 J و ΔU = 0 عبر الدورة — الطاقة الداخلية دالة حالة؛ تعود إلى قيمتها الأصلية.