ملف تدريبي: تغيُّرات الطاقة أثناء تمدُّدات الغاز

في هذا الملف التدريبي، سوف نتدرَّب على تصنيف عمليات تمدُّد وانكماش الغاز بناءً على التغيُّرات في الحرارة والإنتروبي والإنثالبي والطاقة الداخلية.

س١:

افترض أن 0.1 mol من غاز مثالي وُضع في مخبار حجمه 2.5 dm3 عند ضغط 1 bar ودرجة حرارة 301 K. بعد ذلك، افترض أن هناك ثلاث عمليات مختلفة لتغيير حالة عيِّنة الغاز إلى حالة يقل فيها حجم العينة إلى 0.25 dm3، ويزيد الضغط إلى 10 bar، وتكون درجة الحرارة 301 K (نفس درجة الحرارة في الحالة الابتدائية). مسارات الحالات البديلة الثلاث محددة كالآتي:

العملية 1 هي عملية من خطوتين يُسخن فيها الغاز أولًا عند حجم ثابت حتى تصل قيمة الضغط إلى 10 bar، ثم يُبرد الغاز عند ضغط ثابت (10 bar ) حتى يقل حجم اتزانه إلى 0.25 dm3 وتكون درجة حرارته 301 K.

العملية 2 هي عملية من خطوتين تُبرد فيها عيِّنة الغاز أولًا عند ضغط ثابت (1 bar) حتى يقل حجم الاتزان إلى 0.25 dm3، ثم يُسخَّن الغاز عند ظروف حجم ثابت حتى تصل قيمة ضغطه إلى 10 bar وتكون درجة حرارته 301 K.

العملية 3 هي عملية من خطوة واحدة يُضغط فيها الغاز بثبوت درجة الحرارة من حالته الابتدائية إلى حالته النهائية عند درجة حرارة ثابتة 301 K.

أيُّ العمليات الثلاث المذكورة أعلاه تتطلَّب أدنى قدر من العمل في تأثير التغيُّر المحدد للحالة؟ وماذا يكون Δ𝑈 (التغير في الطاقة الداخلية) لهذه العملية؟

  • أالعملية 2، Δ𝑈=0
  • بالعملية 1، Δ𝑈=0
  • جالعملية 3، Δ𝑈=0
  • دالعملية 2، Δ𝑈>0

س٢:

افترض أن هناك عملية يتمدَّد فيها غاز بصورة أديابتية وانعكاسية في ظل ظروف ضغط ثابت، ومقدار الشغل الذي يبذله الغاز في هذه العملية يساوي 10 kJ. ما التغيُّرات في الطاقة الداخلية (𝑈) والإنتروبي (𝑆) للغاز التي ستصاحب هذه العملية؟

  • ألا يوجد ما يكفي من المعلومات لتحديد قيم Δ𝑈، Δ𝑆.
  • بΔ𝑈=10kJ، Δ𝑆=0.
  • جΔ𝑈=0، Δ𝑆=10/JK.
  • دΔ𝑈=10kJ، Δ𝑆=0.

س٣:

في إحدى العمليات، سُخِّنت عكسيًّا عيِّنة مقدارها 2 mol من غاز مُعيَّن من 275 K إلى 375 K تحت ضغط ثابت مقداره 1 bar، وكان تغيُّر الإنتروبي للغاز Δ𝑆=13.3/JK. ما قيمة Δ𝑆 لعملية تُسخَّن فيها نفس عيِّنة الغاز بصورة غير انعكاسية من 275 K إلى 375 K تحت ضغط ثابت مقداره 1 bar؟

  • أΔ𝑆>13.3/JK
  • بلا يوجد ما يكفي من المعلومات المُقدَّمة للإجابة عن هذا السؤال.
  • جΔ𝑆=13.3/JK
  • دΔ𝑆<13.3/JK

س٤:

أيُّ العمليات الآتية التي تُجرَى على عيِّنة مقدارها مول واحد من غاز أحادي الذرة (افترِض أنه يسلك سلوك الغاز المثالي 𝑃𝑉𝑇) يَنْتج عنها أكبر زيادة في إنتروبي الغاز؟

  • أتسخين الغاز من 300 K إلى 600 K في ظروف الحجم الثابت
  • بتمدُّد ثابت درجة الحرارة من حجم 5 L إلى حجم 10 L
  • جالتمدُّد الانعكاسي الأديباتي من حجم 5 L إلى حجم 10 L
  • دتمدُّد ثابت درجة الحرارة من حجم 10 L إلى حجم 15 L

س٥:

أيٌّ من العبارات الآتية غير صحيح؟

  • أيرتبط تأثير جول-طومسون بتغيُّر درجة الحرارة الذي يحدث في الغاز أثناء التوسع المتساوي الإنثالبي للغاز.
  • بيتضمن علم القياسات الحرارية قياس نقل الحرارة أثناء عملية فيزيائية أو كيميائية.
  • جبالنسبة لأي تَغيُّر في الحالة، الشغل الذي يبذله نظام ما في عملية غير انعاكسية دائمًا ما يكون أكبر من ذلك الشغل الذي يبذله في عملية انعاكسية.
  • دوفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية، يجب أن يكون الإنتروبي لجميع المواد البلورية تمامًا هو نفسه عند درجة حرارة الصفر المطلق (أي عند 𝑇=0K).

س٦:

توجد حاوية بجدران صُلبة وأديباتية مُثبَّت بها حاجز يقسم الحاوية إلى حجرتين (حجم إحداهما ضِعف حجم الأخرى). تحتوي الحجرة الكبرى على 2 mol من عيِّنة من N()2g عند 298 K وضغط 1 bar، وتحتوي الحجرة الصغرى على 1 mol من عيِّنة من He()g عند 298 K وضغط 1 bar. أُزِيل الحاجز بين الحجرتين وسُمِح باختلاط الغاز N2 والغاز He. كانت عملية الاختلاط ثابتة الحرارة وأديباتية. بافتراض سلوك الغازين على نَحْوٍ مثالي، كيف يكون Δ𝑈 (التغيُّر في الطاقة الداخلية)، Δ𝐻 (التغيُّر في الإنثالبي)، Δ𝑆 (التغيُّر في الإنتروبي) الذي يُصاحِب عملية الخلط تلك؟

  • أΔ𝑈=0، Δ𝑆=15.88/JK، ولا توجد معلومات كافية لتحديد Δ𝐻.
  • بΔ𝑈=0، Δ𝐻=0، Δ𝑆=15.88/JK
  • جΔ𝑈=Δ𝐻=Δ𝑆=0
  • دΔ𝑈=0، Δ𝐻=0، Δ𝑆=15.88/JK

س٧:

افترض أن عيِّنة مقدارها 1 mol من غاز مثالي تمدَّدت تمددًا ثابت الحرارة وانعكاسيًّا من حجم 10 L إلى حجم 20 L عند درجة حرارة 298 K. ما مقدار الشغل المبذول (𝑤) في هذه العملية؟ وما مقدار التغيُّر في الطاقة الداخلية (Δ𝑈) وإنتروبي الغاز (Δ𝑆)؟

  • أ𝑤=0، Δ𝑈=1717J، Δ𝑆=5.76/JK
  • ب𝑤=1717kJ، Δ𝑈=0، Δ𝑆=5.76/JK
  • ج𝑤=1.717kJ، Δ𝑈=0، Δ𝑆=5.76/JK
  • د𝑤=1.717kJ، Δ𝑈=1717kJ، Δ𝑆=0

س٨:

افترِض أنك تُريد تبريد عيِّنة من غاز N()2g من درجة حرارة 25C إلى 195C من خلال عملية مُكوَّنة من خطوة واحدة تتضمَّن تمدُّد جول-طومسون؛ حيث قيمة الضغط النهائي 1 bar. افترِض أن مُعامِل جول-طومسون لغاز N()2g عند نطاق درجة الحرارة المُحدَّد هو 𝜇=0.75/Kbar. حدِّد إذا ما كان التغيُّر في الإنثالبي (Δ𝐻) لعملية التبريد تلك أقل من صفر أو أكبر منه أو يساويه، ثم احسب لأقرب بار الضغط الابتدائي (𝑃)initial الذي يجب أن يتعرَّض له الغاز ليَنْتج التغيُّر المطلوب في درجة الحرارة.

  • أ𝑃=292initialbar، Δ𝐻>0
  • ب𝑃=292initialbar، Δ𝐻<0
  • ج𝑃=225initialbar، Δ𝐻=0
  • د𝑃=292initialbar، Δ𝐻=0
  • ه𝑃=225initialbar، Δ𝐻>0

س٩:

يغلي الميثانول عند درجة حرارة 337.2 K تحت ظروف الضغط القياسية (𝑃=1)bar، وإنثالبي التبخُّر القياسي Δ𝐻=35.27/vapkJmol. ما مقدار إنتروبي التبخُّر القياسي للميثانول؟

س١٠:

ما مقدار الإنتروبي المولاري القياسي 𝑆 لذرات الأكسجين عند 298 K (بافتراض أنها تتصرَّف باعتباها غازًا مثاليًّا)؟

س١١:

إنثالبي التبخُّر للميثانول يكون مقداره 35.27 kJ/mol عند درجة غليانه الطبيعية 64.1℃. ما مقدار إنتروبي التبخُّر للميثانول (Δ𝑆)vap عند درجة الحرارة هذه؟ وما مقدار التغيُّر في الإنتروبي في الوسط المحيط (Δ𝑆)surroundings عندما يتبخَّر مول من الميثانول عند درجة حرارة 64.1℃ وضغط 1 bar؟

  • أΔ𝑆=104.6/vapJKmol للميثانول، Δ𝑆=104.6/surroundingsJKmol
  • بΔ𝑆=104.6/vapJKmol للميثانول، Δ𝑆=104.6/surroundingsJKmol
  • جΔ𝑆=550.2/vapJKmol للميثانول، Δ𝑆=0surroundings
  • دΔ𝑆=104.6/vapJKmol للميثانول، Δ𝑆=0surroundings

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.