أسئلة: تغيرات حالة الغاز والحرارة والشغل

الإجابة الصحيحة: $Q = \Delta U + W$

القانون الأول للديناميكا الحرارية يعبر عن حفظ الطاقة حيث الحرارة المكتسبة تساوي التغير في الطاقة الداخلية مضافًا إليها الشغل المبذول بواسطة الغاز.

الإجابة الصحيحة: $W = 0$

بما أن الحجم ثابت، فإن التغير في الحجم $\Delta V = 0$، وبالتالي فإن الشغل $W = P\Delta V$ يساوي صفراً.

الإجابة الصحيحة: متساوية الحجم

في العملية متساوية الحجم يكون الشغل صفراً، فتتحول كل الحرارة المكتسبة إلى زيادة في الطاقة الداخلية.

الإجابة الصحيحة: $Q = 0$

العملية الأديباتية هي عملية معزولة حرارياً لا يحدث فيها تبادل للحرارة مع الوسط المحيط.

الإجابة الصحيحة: $\Delta U = 0$

بما أن درجة الحرارة ثابتة لغاز مثالي، فإن الطاقة الداخلية التي تعتمد فقط على الحرارة لا تتغير.

الإجابة الصحيحة: سالبة

وفقاً لاصطلاح الإشارات، $W$ تكون موجبة عند التمدد (شغل مبذول من الغاز) وسالبة عند الانضغاط (شغل مبذول على الغاز).

الإجابة الصحيحة: 300 جول

$W = P(V_2-V_1) = 3\times10^5 \times (2-1)\times10^{-3} = 3\times10^5 \times 10^{-3} = 300$ جول.

الإجابة الصحيحة: تنخفض

في التمدد الأديباتي، يبذل الغاز شغلاً على حساب طاقته الداخلية، مما يؤدي إلى انخفاض الطاقة الداخلية وبالتالي انخفاض درجة الحرارة.

الإجابة الصحيحة: 300 جول

$\Delta U = Q - W = 500 - 200 = 300$ جول.

الإجابة الصحيحة: العملية متساوية الحرارة

في العملية متساوية الحرارة $\Delta U = 0$، ومن القانون الأول $Q = \Delta U + W$ نجد أن $Q = W$.

الإجابة الصحيحة: 100 جول

في الحجم الثابت $W=0$، لذا $Q = \Delta U + 0 = 100$ جول.

الإجابة الصحيحة: جول

الجول هو الوحدة القياسية للشغل والطاقة في النظام الدولي للوحدات.

الشغل المبذول $W = P\Delta V = 4\times10^5 \times (6-2)\times10^{-3} = 4\times10^5 \times 4\times10^{-3} = 1600$ جول. التغير في الطاقة الداخلية $\Delta U = Q - W = 2000 - 1600 = 400$ جول.

تزداد الطاقة الداخلية للغاز؛ لأن العملية أديباتية تعني $Q=0$، وبما أن الغاز انضغط فإن الشغل المبذول من الغاز $W$ يكون سالباً، ومن القانون الأول $\Delta U = Q - W$ نجد أن $\Delta U = 0 - (-W) = W$، أي أن الشغل المبذول على الغاز يتحول بالكامل إلى زيادة في طاقته الداخلية.

بما أن العملية متساوية الحرارة $\Delta U = 0$، فإن $Q = W$. وبما أن الغاز انضغط، فالشغل المبذول عليه سالب، إذن $Q = -500$ جول. الإشارة السالبة تعني أن الغاز فقد 500 جول من الحرارة، والشغل المبذول عليه يساوي 500 جول.

في عملية الحجم الثابت: الشغل المبذول $W=0$ والحرارة المكتسبة $Q$ تساوي التغير في الطاقة الداخلية $\Delta U$. في العملية الأديباتية: الحرارة المتبادلة $Q=0$ والشغل المبذول $W$ يساوي سالب التغير في الطاقة الداخلية $-\Delta U$.

في المرحلة الأولى (حجم ثابت): $W=0$ فيصبح $Q=\Delta U$. في المرحلة الثانية (ضغط ثابت): يظل القانون بصيغته الكاملة $Q=\Delta U + P\Delta V$ حيث يُبذل شغل $P\Delta V$ أثناء التمدد.

لأن اصطلاح الإشارات في القانون الأول ($Q = \Delta U + W$) يعتمد على هذا التمييز؛ حيث تكون $W$ موجبة عند التمدد (شغل من الغاز) وسالبة عند الانضغاط (شغل على الغاز). الخلط بينهما يؤدي إلى خطأ في إشارة الشغل وبالتالي خطأ في حساب التغير في الطاقة الداخلية.