حل پرسش ها و مسائل 15 تا 18 فصل 4 فیزیک دهم

پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۵ آخر فصل چهارم فیزیک دهم علت این احساس خنکی، پدیده‌ای فیزیکی به نام **سرمایش تبخیری (Evaporative Cooling)** است. بیایید مراحل این فرآیند را بررسی کنیم: 1. **تبخیر سریع الکل:** الکل یک مایع **فرّار** است. این یعنی مولکول‌های آن نیروی جاذبه ضعیفی نسبت به هم دارند و می‌توانند به راحتی در دمای اتاق از حالت مایع به گاز (بخار) تبدیل شوند. این فرآیند **تبخیر** نام دارد. 2. **تبخیر یک فرآیند گرماگیر است:** برای اینکه مولکول‌های الکل بتوانند از حالت مایع (که در آن به هم نزدیک هستند) به حالت گاز (که آزادانه حرکت می‌کنند) درآیند، باید بر نیروهای بین مولکولی غلبه کنند. این کار به **انرژی** نیاز دارد. این انرژی، **گرمای نهان تبخیر** نامیده می‌شود. 3. **گرفتن گرما از پوست:** وقتی الکل روی پوست شما قرار می‌گیرد، مولکول‌های آن برای تبخیر شدن، انرژی مورد نیاز خود را از نزدیک‌ترین منبع گرما یعنی **پوست شما** می‌گیرند. 4. **ایجاد حس سرما:** این انتقال سریع گرما از پوست شما به الکل، باعث کاهش دمای سطح پوست می‌شود. گیرنده‌های عصبی در پوست این کاهش دما را به عنوان **احساس خنکی یا سرما** به مغز گزارش می‌دهند. به طور خلاصه، الکل با "دزدیدن" گرمای پوست شما برای تبخیر شدن، باعث خنک شدن آن می‌شود.

پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۶ آخر فصل چهارم فیزیک دهم برای یافتن گزینه نادرست، بیایید هر گزینه را به دقت بررسی کنیم: **الف) افزایش فشار وارد بر جسم در بیشتر مواد، سبب پایین رفتن نقطهٔ ذوب می‌شود.** * **تحلیل:** بیشتر مواد در هنگام ذوب شدن، **منبسط** می‌شوند (حجمشان زیاد می‌شود). افزایش فشار، این انبساط را دشوارتر می‌کند. برای غلبه بر این فشار اضافی و ذوب شدن، ماده به انرژی بیشتری نیاز دارد، یعنی باید در **دمای بالاتری** ذوب شود. پس برای بیشتر مواد، افزایش فشار سبب **بالا رفتن** نقطه ذوب می‌شود. * **نتیجه:** این گزاره **نادرست** است. **ب) افزایش فشار روی یخ، سبب کاهش اندک نقطهٔ ذوب آن می‌شود.** * **تحلیل:** آب یک استثناء قابل توجه است. آب هنگام یخ زدن **منبسط** می‌شود (یخ چگالی کمتری از آب دارد). بنابراین، افزایش فشار روی یخ، آن را تشویق می‌کند تا به فاز مایع که چگال‌تر و کم‌حجم‌تر است برگردد. این یعنی یخ تحت فشار، در دمای **پایین‌تری** (مثلاً $-0.1^\circ C$) ذوب می‌شود. * **نتیجه:** این گزاره **درست** است. (پدیده زیر تیغه اسکیت روی یخ به همین دلیل است). **پ) فرایند ذوب، عملی گرماگیر است.** * **تحلیل:** برای شکستن پیوندهای منظم در ساختار بلوری جامد و تبدیل آن به مایع، باید به سیستم **انرژی (گرما)** بدهیم. فرآیندی که گرما جذب می‌کند، **گرماگیر (Endothermic)** نامیده می‌شود. * **نتیجه:** این گزاره **درست** است. **ت) گرمایی که جسم جامد خالص و بلورین در نقطهٔ ذوب خود می‌گیرد تا به مایع تبدیل شود، سبب تغییر دمای آن نمی‌شود.** * **تحلیل:** این تعریف دقیق **گرمای نهان ذوب** است. در طول فرآیند تغییر فاز، تمام انرژی ورودی صرف تغییر حالت ماده (افزایش انرژی پتانسیل مولکولی) می‌شود و انرژی جنبشی میانگین مولکول‌ها (دما) ثابت باقی می‌ماند. * **نتیجه:** این گزاره **درست** است. **پاسخ نهایی:** گزینه **(الف)** تنها گزاره نادرست در میان موارد ذکر شده است.

پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۷ آخر فصل چهارم فیزیک دهم برای محاسبه کمترین گرمای لازم، باید دو مرحله را در نظر بگیریم: اول گرم کردن نقره تا دمای ذوب، و دوم ذوب کردن کامل آن در همان دما. **گام اول: استخراج داده‌ها و ثوابت لازم برای نقره** * جرم نقره: $m = 200.0 \text{ g} = 0.200 \text{ kg}$ * دمای اولیه: $T_1 = 20.0^\circ C$ * نقطه ذوب نقره: $T_{\text{ذوب}} = 962^\circ C$ * گرمای ویژه نقره جامد: $c_{\text{نقره}} \approx 235 \frac{J}{kg \cdot ^\circ C}$ * گرمای نهان ذوب نقره: $L_f \approx 1.05 \times 10^5 \frac{J}{kg}$ **گام دوم: محاسبه گرمای لازم برای رساندن نقره به نقطه ذوب ($Q_1$)** در این مرحله دما تغییر می‌کند. $Q_1 = m c \Delta T = m c (T_{\text{ذوب}} - T_1)$ $Q_1 = (0.200) \times (235) \times (962 - 20)$ $Q_1 = (0.200) \times (235) \times (942)$ $Q_1 = 44274 \text{ J}$ **گام سوم: محاسبه گرمای لازم برای ذوب کامل نقره ($Q_2$)** در این مرحله تغییر فاز در دمای ثابت رخ می‌دهد. $Q_2 = m L_f$ $Q_2 = (0.200) \times (1.05 \times 10^5)$ $Q_2 = 21000 \text{ J}$ **گام چهارم: محاسبه گرمای کل** گرمای کل، مجموع گرمای دو مرحله است. $Q_{\text{کل}} = Q_1 + Q_2 = 44274 + 21000 = 65274 \text{ J}$ می‌توانیم پاسخ را بر حسب کیلوژول نیز بیان کنیم: $Q_{\text{کل}} = 65.274 \text{ kJ}$ **نتیجه:** کمترین گرمای لازم برای این فرآیند **$65,274$ ژول** است.

پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۸ آخر فصل چهارم فیزیک دهم این مسئله به زیبایی نشان می‌دهد که آب هنگام سرد شدن و یخ زدن، چه مقدار گرمای زیادی را آزاد می‌کند. این فرآیند دو مرحله دارد. **بخش اول: محاسبه گرمای آزاد شده توسط آب** **مرحله ۱: سرد شدن آب از $20^{\circ}C$ به $0^{\circ}C$** $Q_1 = m c_w \Delta T = (15.0 \text{ kg}) \times (4200 \frac{J}{kg \cdot ^\circ C}) \times (20.0 - 0)^\circ C$ $Q_1 = 1,260,000 \text{ J}$ **مرحله ۲: یخ زدن آب در دمای ثابت $0^{\circ}C$** در این مرحله، آب با آزاد کردن **گرمای نهان انجماد**، به یخ تبدیل می‌شود. $Q_2 = m L_f = (15.0 \text{ kg}) \times (3.34 \times 10^5 \text{ J/kg})$ $Q_2 = 5,010,000 \text{ J}$ **گرمای کل آزاد شده:** $Q_{\text{کل}} = Q_1 + Q_2 = 1,260,000 + 5,010,000 = 6,270,000 \text{ J}$ این مقدار عظیم گرما (بیش از ۶ میلیون ژول) در سالن آزاد شده و مانع از یخ‌زدگی آن می‌شود. **بخش دوم: زمان کارکرد بخاری برقی** 1. **داده‌های بخاری:** * توان: $P = 2000 \text{ W} = 2000 \text{ J/s}$ * انرژی مورد نیاز: $Q = 6,270,000 \text{ J}$ 2. **محاسبه زمان به ثانیه:** $t = \frac{Q}{P} = \frac{6,270,000 \text{ J}}{2000 \text{ J/s}} = 3135 \text{ s}$ 3. **تبدیل زمان به ساعت:** برای تبدیل ثانیه به ساعت، بر $3600$ (تعداد ثانیه‌های یک ساعت) تقسیم می‌کنیم. $t_{\text{ساعت}} = \frac{3135}{3600} \approx 0.87 \text{ ساعت}$ **نتیجه:** * آب در مجموع **$6,270,000$ ژول** گرما به سالن می‌دهد. * بخاری برقی باید حدود **$0.87$ ساعت** (تقریباً $52$ دقیقه) روشن باشد تا همین مقدار گرما را تولید کند.