למד טמפרטורה וחום עם רשימת התרגילים בנושא: קביעת טמפרטורה וחום, התפשטות ושיווי משקל תרמי, סולמות תרמומטריים, העברת חום, חום סמוי ומוגי. ישנם מספר תרגילים פתורים והערות שתוכל ללמוד ולפתור את הספקות שלך.
תרגילים על קביעת טמפרטורה וחום
תרגיל 1
הגדירו והבדלו טמפרטורה וחום.
טמפרטורה היא מדד למצב התרמי של גוף או מערכת פיזיים. הוא קובע את מידת התסיסה של החלקיקים המרכיבים את המערכת הזו.
טמפרטורה היא אפוא כמות, משהו שניתן למדוד. במערכת היחידות הבינלאומית, יחידת המדידה לטמפרטורה היא קלווין (K). יחידות נפוצות נוספות הן צלזיוס (°C) ופרנהייט (°F).
חום הוא תנועה של אנרגיה תרמית. אנרגיה תרמית מועברת מגופים אנרגטיים יותר, עם טמפרטורה גבוהה יותר, לגופים ומערכות פחות אנרגטיים, עם טמפרטורה נמוכה יותר. העברת אנרגיה זו מתבצעת באמצעות תהליכים כגון: הולכה, הסעה והקרנה.
מכיוון שחום הוא סוג של אנרגיה, במערכת היחידות הבינלאומית הוא נמדד בג'אול (J). מדד נפוץ נוסף לחום הוא קלוריות (ליים).
ההבדל העיקרי בין טמפרטורה לחום הוא שהטמפרטורה היא מדד למצב התרמי בעוד שחום הוא העברת אנרגיה תרמית בין גופים.
תרגיל 2
הגדירו מהו שיווי משקל תרמי.
שיווי משקל תרמי הוא המצב בו גופים שונים באותה סביבה נמצאים באותה טמפרטורה, כלומר יש להם אותו מצב תרמי.
מכיוון שחום הוא העברת אנרגיה תרמית מגופים חמים יותר לגופים קרירים יותר, גופים חמים יותר מתקררים כשהם מפיצים חום. מצד שני, גופים שמקבלים את החום הזה, שהיו קרים יותר לפני כן, מתחממים.
שינוי טמפרטורה זה נפסק כאשר אין יותר חום בין הגופים, מה שאומר שאין יותר העברה של אנרגיה תרמית ביניהם. במצב זה, הטמפרטורות שלהם זהות.
תרגיל 3
הסבר את התופעה הבאה:
לורה זה עתה התעוררה וקמה מהמיטה ביום חורף קר. לאחר שקמה ממיטתה החמה, היא נוגעת בכפות רגליה ברצפת השטיחים של חדר השינה שלה ומרגישה בנוח, גם ברגליה היחפות. כשאתה נכנס למטבח, הרגליים היחפות שלך מרגישות תחושת קור בעת נגיעה ברצפת האריחים.
כל סביבת הבית הייתה חשופה לאותם תנאי טמפרטורה לאורך כל הלילה. מדוע לורה מרגישה תחושות שונות כשהולכת יחפה בחדר השינה ובמטבח?
תחושות החום והקור קשורות למספר גורמים, חלקם אפילו סובייקטיביים. אנשים שונים יכולים להרגיש ולתפוס את אותה טמפרטורה בדרכים שונות. אולם בטקסט, לאותו אדם יש תחושות שונות בסביבה שאמורה להיות בשיווי משקל תרמי, כלומר בה נמצאים הגופים באותה טמפרטורה.
ההבדל היחיד הוא החומר איתו הוא בא במגע. מקדם המוליכות התרמית הוא תכונה של חומרים ומציין באיזו קלות מועברת אנרגיה תרמית. ככל שערך המוליכות התרמית גבוה יותר, כך העברת האנרגיה התרמית קלה יותר.
מכיוון שלרצפת קרמיקה יש מוליכות תרמית גדולה יותר מאשר שטיח צמר או כותנה, הגוף של לורה מאבד הרבה. יותר אנרגיה בהליכה במטבח מאשר בהליכה על השטיח, מה שגורם לה לפרש שהרצפה היא יותר קַר.
תרגילים על שיווי משקל תרמי
תרגיל 4
(IFF 2016) בפעילות המעבדה, המורה לפיזיקה מציע לתלמידים לערבב 1 ליטר מים בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס עם 500 מ"ל מים ב-4 מעלות צלזיוס. עם זאת, לפני ערבוב ומדידה של טמפרטורת שיווי המשקל התרמי, התלמידים צריכים לחשב את טמפרטורת שיווי המשקל התרמי. קחו בחשבון הפסדים תרמיים זניחים ושהתוצאה התיאורטית שווה לערך הניסוי. ניתן לומר שטמפרטורת שיווי משקל זו תקפה:
א) 68 מעלות צלזיוס.
ב) 74 מעלות צלזיוס.
ג) 80 מעלות צלזיוס.
ד) 32 מעלות צלזיוס.
ה) 52 מעלות צלזיוס.
תשובה נכונה: א) 68 מעלות צלזיוס.
מַטָרָה: לקבוע את טמפרטורת שיווי המשקל התרמי ().
נתונים:
1 ליטר = 1000 מ"ל מים ב-100 מעלות צלזיוס;
500 מ"ל מים ב-4 מעלות צלזיוס
מודל פיזי ומתמטי
בשיווי משקל תרמי אין יותר העברה של אנרגיה תרמית, ולכן סכום החום של חלקי המים ב-100 מעלות צלזיוס ו-4 מעלות צלזיוס שווה לאפס.
מכיוון שבשני הצדדים של המשוואה החום הספציפי זהה, נוכל לבטל אותם.
לכן, טמפרטורת שיווי המשקל תהיה 68 מעלות צלזיוס.
תרגילים בקנה מידה תרמומטרי
תרגילים 5
(SENAC - SP 2013) הגעתו של האדם לירח התרחשה בשנת 1969. מבנה הירח סלעי ואין בו כמעט אטמוספירה, מה שאומר שביום הטמפרטורה מגיעה ל-105 מעלות צלזיוס ובלילה היא יורדת ל-155 מעלות צלזיוס.
וריאציה תרמית זו, הנמדדת בסולם טמפרטורת פרנהייט, תקפה
א) 50.
ב) 90.
ג) 292.
ד) 468.
ה) 472.
תשובה נכונה: ד) 468.
הקשר בין סולם מעלות צלזיוס לסולם °F ניתן על ידי:
איפה,
הוא משתנה הטמפרטורה במעלות צלזיוס ו,
הוא הווריאציה על פרנהייט.
הטמפרטורה על פני הירח נעה בין 105 מעלות צלזיוס ובלילה -155 מעלות צלזיוס. לכן, השונות הכוללת היא 260 מעלות צלזיוס.
105 - (-155) = 260
החלפה בנוסחה, יש לנו:
תרגילים 6
(UESPI 2010) תלמיד קורא את רומן המדע הבדיוני "פרנהייט 451" מאת ריי ברדבורי. בקטע מסוים, אחת הדמויות טוענת ש-451 מעלות פרנהייט היא הטמפרטורה בסולם פרנהייט שבה נשרף הנייר שממנו עשויים ספרים. התלמיד יודע שבסקאלה זו, טמפרטורות ההיתוך והרתיחה של המים הן 32°F ו-212°F, בהתאמה. הוא מסיק בצדק ש-451°F שווה בערך ל:
א) 100 מעלות צלזיוס
ב) 205 מעלות צלזיוס
ג) 233 מעלות צלזיוס
ד) 305 מעלות צלזיוס
ה) 316 מעלות צלזיוס
תשובה נכונה: ג) 233 מעלות צלזיוס.
סולמות צלזיוס ופרנהייט קשורים ב:
מחליף 451°F עם , יש לנו:
מבין אפשרויות התגובה 233°C הוא הקרוב ביותר.
תרגילים 7
(FATEC 2014) במהלך מירוץ פורמולה אינדי או פורמולה 1, הנהגים נתונים למיקרו-סביבה חמה בתא הטייס הוא מגיע ל-50 מעלות צלזיוס, שנוצר על ידי מקורות חום שונים (מהשמש, המנוע, השטח, חילוף החומרים במוח, פעילות השרירים וכו.). טמפרטורה זו היא הרבה מעל טמפרטורת הגוף הממוצעת הנסבלת, כך שהם תמיד צריכים להיות במצב גופני טוב.
מרוצי פורמולה אינדי מסורתיים יותר בארה"ב, שם קריאת טמפרטורה מאומצת בסולם פרנהייט. בהתבסס על המידע המוצג בטקסט, נכון לציין שטמפרטורת תא הטייס אליה מגיעה מכונית פורמולה אינדי במהלך המירוץ, בדרגת פרנהייט, היא
נתונים:
טמפרטורת הפשרת הקרח = 32°F;
טמפרטורת מים רותחים = 212°F.
א) 32.
ב) 50.
ג) 82.
ד) 122.
ה) 212.
תשובה נכונה: ד) 122
כדי לקשר בין שתי הטמפרטורות, אנו משתמשים במשוואה:
מחליף עבור 50 ופתרון עבור
, יש לנו:
לכן, הטמפרטורה בתא הטייס בפרנהייט היא 122 מעלות פרנהייט.
תרגילים על התפשטות חום
תרגיל 8
(Enem 2021) במדריך הוראות למקרר, יש את ההמלצות הבאות:
• שמור את דלת המקרר פתוחה רק כל עוד יש צורך;
• חשוב לא לחסום את זרימת האוויר עם פיזור לקוי של מזון על המדפים;
• השאירו מרווח של לפחות 5 ס"מ בין החלק האחורי של המוצר (גוף קירור סרפנטין) לבין הקיר.
בהתבסס על עקרונות התרמודינמיקה, ההצדקות להמלצות אלו הן, בהתאמה:
א) להפחית את תפוקת הקור מהמקרר לסביבה, להבטיח העברת קור בין המזונות שעל המדף ולאפשר חילופי חום בין גוף הקירור לסביבה.
ב) להפחית את תפוקת הקור של המקרר לסביבה, להבטיח את הסעת האוויר הפנימי, להבטיח בידוד תרמי בין החלק הפנימי והחיצוני.
ג) צמצמו את זרימת החום מהסביבה אל פנים המקרר, הקפידו על הסעת האוויר הפנימי ואפשרו חילופי חום בין גוף הקירור לסביבה.
ד) הפחיתו את זרימת החום מהסביבה אל פנים המקרר, הקפידו על העברה הקור בין המזונות על המדף ולאפשר חילופי חום בין הכיור לסביבה.
ה) להפחית את זרימת החום מהסביבה אל פנים המקרר, להבטיח את הסעת האוויר הפנימי והבטחת בידוד תרמי בין החלק הפנימי והחיצוני.
תשובה נכונה: ג) צמצמו את זרימת החום מהחדר אל פנים המקרר, הקפידו על הסעת האוויר הפנימי ואפשרו את חילופי החום בין גוף הקירור לסביבה.
שמירה על דלת המקרר סגורה, פתיחת רק את הדרוש, מונעת כניסת חום מהסביבה החיצונית.
בתוך המקרר, חילופי חום בין הסביבה הפנימית הקרה למזון מייצרים זרמי אוויר באמצעות הסעה. זרמים אלו נחוצים לקירור מזון.
החום הנלקח מהמזון ומוחלף עם הקירור של המקרר מועבר לגוף הקירור מאחור. חום זה יתחלף עם הסביבה, בעיקר בהסעה, ולכן יש צורך במקום.
תרגיל 9
(UEPB 2009) ילד שאהב בריגדירו החליט להכין את הממתק הזה, ולשם כך הוא התחיל להפריד בין המרכיבים והכלים. בתחילה הוא לקח את קופסת החלב המרוכז, אבקת השוקולד והמרגרינה, ואז תבנית וכפית פלדה ופותחן קופסאות. הילד קדח חור בפחית כדי לנקז את החלב המרוכז למחבת. אמו, שראתה את הגישה הזו, הציעה לבן לקדוח חור נוסף בפחית, כדי שיוכל להסיר את הנוזל הזה ביתר קלות. כשהניח את הסיר על האש כדי לעורר את הבריגדיירו, הילד הרגיש שאחרי כמה דקות ידית הכף התחממה והתלונן: "אמא, הכפית שורפת לי את היד". אז, אמו ביקשה ממנו להשתמש בכף עץ כדי למנוע כוויה.
על ההתחממות של הכפית הוכחה בתלונתו של הילד כי ידו בוערת, אנו יכולים לומר
א) עם כף עץ, שהיא מבודד תרמי מעולה, היא מתחממת מהר יותר מכף פלדה.
ב) זה קורה בגלל שהחלקיקים המרכיבים את הכף יוצרים זרמי הסעה, מחממים אותה לחלוטין, מקצה לקצה.
ג) עקב הקרנה הכפית מתחממת לגמרי, מקצה לקצה.
ד) עם כף עץ, שהיא מוליך תרמי מצוין, היא מתחממת מהר יותר מכף פלדה.
ה) זה קורה בגלל שהחלקיקים המרכיבים את הכף מתחילים להוליך את החום שנספג שם מקצה לקצה.
תשובה נכונה: ה) זה קורה בגלל שהחלקיקים המרכיבים את הכף מתחילים להוליך את החום שנספג שם מקצה לקצה.
תהליך התפשטות החום הוא הולכה. רק אנרגיה מועברת מחלקיק לסביבתו. מתכות הן משדרי חום מצוינים.
תרגיל 10
(אנם 2016) בניסוי, מורה משאיר שני מגשים מאותה מסה, האחד פלסטיק והשני אלומיניום, על שולחן המעבדה. לאחר מספר שעות, הוא מבקש מהתלמידים לדרג את הטמפרטורה של שני המגשים, באמצעות מגע. תלמידיו טוענים באופן מוחלט שמגש האלומיניום נמצא בטמפרטורה נמוכה יותר. מסוקרן, הוא מציע פעילות שנייה, שבה הוא מניח קוביית קרח על כל אחד מהמגשים, אשר נמצאים בשיווי משקל תרמי עם הסביבה, ושואל אותם באיזה קצב הפשרת הקרח יהיה יותר גדול.
התלמיד שיענה נכון על שאלת המורה יגיד שההתכה תתרחש
א) מהיר יותר על מגש האלומיניום, מכיוון שיש לו מוליכות תרמית גבוהה יותר מפלסטיק.
ב) מהר יותר על מגש הפלסטיק, מכיוון שבתחילה יש לו טמפרטורה גבוהה יותר מזו מאלומיניום.
ג) מהיר יותר על מגש הפלסטיק, מכיוון שיש לו יכולת תרמית גבוהה יותר מזה מאלומיניום.
ד) מהיר יותר על מגש האלומיניום, מכיוון שיש לו חום סגולי נמוך יותר מזה הפלסטיק.
ה) באותה מהירות בשני המגשים, מכיוון שתהיה להם אותה שינוי טמפרטורה.
תשובה נכונה: א) מהר יותר על מגש האלומיניום, מכיוון שיש לו מוליכות תרמית גבוהה יותר מזו הפלסטית.
קרח נמס מהר יותר במגש שמעביר חום בקצב גבוה יותר כלומר מהר יותר. מכיוון למתכות יש מוליכות תרמית גדולה יותר, מגש האלומיניום מעביר יותר חום לקרח והוא יימס מהר יותר.
תרגיל 11
(Enem 2021) בעיר סאו פאולו, איי החום אחראים לשינוי כיוון הזרימה של רוח הים שאמורה להגיע לאזור המעיין. אבל כשחוצים את האי החום, רוח הים נתקלת כעת בזרימת אוויר אנכית, שעוברת מבחינתה האנרגיה התרמית שנספגה מהמשטחים החמים של העיר, ועקירה אותה למקומות גבוהים גבהים. כך נוצר עיבוי וגשם כבד במרכז העיר, במקום באזור האביב. התמונה מציגה את שלוש תת המערכות המחליפות אנרגיה בתופעה זו.
מנגנונים אלו הם, בהתאמה,
א) הקרנה והסעה.
ב) הקרנה והקרנה.
ג) הולכה והקרנה.
ד) הסעה והקרנה.
ה) הסעה והסעה.
תשובה נכונה: א) הקרנה והסעה.
הקרנה היא תהליך העברת החום בין השמש לערים. בתהליך זה מועבר חום על ידי קרינה אלקטרומגנטית.
הסעה היא תהליך של העברת חום בין איי חום לבין רוח הים. בתהליך זה, חום מועבר על ידי תווך נוזלי, במקרה זה, אוויר, באמצעות תנועותיו. בהסעה, האוויר החם שמתפשט, הופך פחות צפוף ועולה. האוויר הקריר יותר בגבהים גבוהים יותר, צפוף יותר, יורד ויוצר זרמי אוויר המחליפים חום.
תרגילים על חום סמוי וחום רגיש
תרגיל 12
(אנם 2015) טמפרטורות הבעירה הגבוהות והחיכוך בין חלקיו הנעים הם חלק מהגורמים שגורמים למנועי בעירה פנימית להתחמם. כדי למנוע התחממות יתר ונזקים כתוצאה מכך למנועים אלה, פותחו מערכות קירור עדכניות, בהן נוזל מצנן בעל תכונות מיוחדות מסתובב בחלק הפנימי של המנוע, סופג את החום שעובר דרך הרדיאטור מועבר אל הרדיאטור. אַטמוֹספֵרָה.
איזה תכונה חייבת להיות לנוזל הקירור כדי למלא את ייעודו בצורה היעילה ביותר?
א) חום סגולי גבוה.
ב) חום סמוי גבוה של היתוך.
ג) מוליכות תרמית נמוכה.
ד) טמפרטורת רתיחה נמוכה.
ה) מקדם התפשטות תרמית גבוה.
תשובה נכונה: א) חום סגולי גבוה.
חום סגולי הוא תכונה של החומר, במקרה זה, נוזל הקירור. זה מציין את כמות החום שהוא צריך לקבל או לתת בעבור יחידת מסה אחת, כדי לשנות יחידת טמפרטורה אחת.
במילים אחרות, ככל שהחום הסגולי גבוה יותר, כך הוא יכול לקבל יותר חום מבלי להעלות את הטמפרטורה שלו יותר מדי. לחומרים בעלי חום סגולי גבוה יש פחות רגישות לשינויי טמפרטורה.
בדרך זו, נוזל הקירור בעל חום סגולי גבוה יכול "לאסוף" כמות גדולה יותר של אנרגיה תרמית מהמנוע ללא רתיחה.
תרגיל 13
(FATEC 2014) בשיעור בדיסציפלינה של פיזיקה בקורס ריתוך בפאטק, המורה האחראי מעלה עם התלמידים נושא שראו בתיכון. מסביר כיצד לבצע ניתוח של גרף שינוי מצב של חומר טהור היפותטי נתון. בשביל זה, אנחנו רק צריכים להעריך את הכמויות הפיזיקליות המיוצגות על הצירים ואת הגרף שנוצר על ידי הקשר בין כמויות אלה. בגרף זה, החתך המציג נטייה מצביע על שינוי בטמפרטורה עקב ספיגת אנרגיה, והחתך המציג רמה (חתך אופקי) מצביע על שינוי במצב עקב ספיגת אנרגיה.
לאחר הסבר זה, הוא שואל את התלמידים מה הייתה כמות האנרגיה הכוללת שנספגה על ידי חומר בין סוף שינוי המצב עבור הנוזל, עד סוף שינוי המצב עבור ה גזי.
התשובה הנכונה לשאלה זו, בקלוריות, היא
א) 2000.
ב) 4000.
ג) 6,000.
ד) 10,000.
ה) 14,000.
תשובה נכונה: ד) 10,000.
שינוי זה מתרחש בין 4000 ל-14000 קלוריות. החומר נמצא במלואו במצב נוזלי כאשר הרמפה מתחילה לאחר הרמה הראשונה. הטרנספורמציה משלב נוזלי לפאזה גזית מתרחשת במישור השני.
תרגילים על הרחבה תרמית
תרגיל 14
(URCA 2012) לרדיוס הבסיס של חרוט מתכתי, שצפיפותו שווה ל-10 גרם/סמ"ק, יש ב-0°C אורך ראשוני Ro = 2 ס"מ. על ידי חימום חרוט זה עד לטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס, גובהו משתנה Δh = 0.015 ס"מ. עם מסת חרוט של 100 גרם, מקדם ההתפשטות הליניארי הממוצע של החומר הוא:
תשובה נכונה:
מַטָרָה: לקבוע את מקדם ההתפשטות הליניארית ().
נתונים = 0.015 ס"מ
רדיוס התחלתי, = 2 ס"מ = 100 מעלות צלזיוס
מסה, m = 100 גרם
צפיפות, d = 10 גרם/סמ"ק
מודל מתמטי ופיזיקלי של התפשטות תרמית ליניארית
איפה, הוא מקדם ההתפשטות הליניארית.
הוא משתנה הגובה.
הוא גובה ההתחלה.
הוא השונות בטמפרטורה.
מבודד ,
ו
הם מסופקים. בדרך זו, לקבוע
, יש צורך לקבוע
.
כדי לקבוע בואו נשתמש ביחסי נפח וצפיפות.
נפח קונוס
צְפִיפוּת
בידוד V,
החלפת הערך של V ו-r במשוואת הנפח וביצוע = 3,
עכשיו אנחנו יכולים להחליף במשוואת מקדם ההתפשטות התרמית,
הופך לסימון מדעי
0,0006 =
ללמוד עוד על
- חום וטמפרטורה.
- התפשטות חום
- חום רגיש
- חום ספציפי
- אנרגיית תרמית
- התפשטות תרמית
- קיבולת תרמית
- הולכה תרמית
- הסעה תרמית
- הקרנה תרמית
