ديناميكا حرارية

الهدف التعليمي 9.1.A: وصف الضغط الذي يبذله الغاز على حاويته بدلالة الحركة الذرية داخل ذلك الغاز.

• 9.1.A.1 تتصادم ذرات الغاز مع بعضها البعض وتبذل قوى عليها، وتتصادم مع الحاوية التي يحتوي فيها الغاز.
  • 9.1.A.1.i يمكن وصف وتحليل التصادمات التي تتضمن أزواجًا من الذرات أو ذرة وجسم ثابت باستخدام مبادئ حفظ الزخم.
  • 9.1.A.1.ii الضغط الذي يبذله الغاز على سطح ما هو نسبة مجموع مقادير المركبات العمودية للقوى التي تبذلها ذرات الغاز على السطح إلى مساحة السطح.
    • معادلة: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
  • 9.1.A.1.iii يوجد الضغط داخل الغاز نفسه، وليس فقط عند الحد الفاصل بين الغاز والحاوية.

الهدف التعليمي 9.1.B: وصف درجة حرارة النظام بدلالة الحركة الذرية داخل ذلك النظام.

• 9.1.B.1 تتميز درجة حرارة نظام ما بمتوسط الطاقة الحركية للذرات داخل ذلك النظام.
  • 9.1.B.1.i يوفر توزيع ماكسويل-بولتزمان تمثيلًا بيانيًا لطاقات وسرعات الذرات عند درجة حرارة معينة.
  • 9.1.B.1.ii ترتبط السرعة الجذرية المتوسطة المربعة المقابلة لمتوسط الطاقة الحركية لغاز مثالي بدرجة حرارة الغاز بواسطة
    • معادلة: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

عبارة الحدود: يتوقع من طلاب AP Physics 2 فقط إجراء تحليل نوعي وكمي للتصادمات في بُعد واحد وبُعدَين. لا يُتوقع من الطلاب معرفة الصيغة الدالة لتوزيع ماكسويل-بولتزمان، لكن يُتوقع منهم الإلمام بكيفية ارتباط ميزات التوزيع بدرجة حرارة الغاز.

الهدف التعليمي 9.2.A: وصف خصائص الغاز المثالي.

• 9.2.A.1 يفترض النموذج الكلاسيكي للغاز المثالي أن سرعات الذرات اللحظية عشوائية، وأن أحجام الذرات مهملة مقارنة بالحجم الكلي الذي يشغله الغاز، وأن الذرات تتصادم مرناً، والقوى الوحيدة الملحوظة المؤثرة على الذرات هي تلك التي تحدث أثناء التصادمات.
• 9.2.A.2 الغاز المثالي هو غاز يمكن نمذجة العلاقات فيه بين الضغط والحجم وعدد المولات أو عدد الذرات ودرجة الحرارة باستخدام المعادلة
  • المعادلة: $PV = nRT = N k_B T$
• 9.2.A.3 يمكن استخدام الرسوم البيانية التي تنمذج الضغط ودرجة الحرارة والحجم للغازات لوصف أو تحديد خصائص ذلك الغاز.
• 9.2.A.4 يمكن استنتاج درجة الحرارة التي يكون عندها الغاز المثالي ضغطًا صفريًا من رسم بياني للضغط بدلالة درجة الحرارة.

الهدف التعليمي 9.3.A: وصف انتقال الطاقة بين نظامين في تماس حراري نتيجة لاختلاف درجتي حرارتهما.

• 9.3.A.1 يكون النظامان في تماس حراري إذا كان بإمكانهما نقل الطاقة عبر عمليات حرارية.
  • 9.3.A.1.i التدفئة هي نقل الطاقة إلى نظام ما عبر عمليات حرارية.
  • 9.3.A.1.ii التبريد هو نقل الطاقة خارج نظام ما عبر عمليات حرارية.
• 9.3.A.2 العمليات الحرارية التي يمكن من خلالها نقل الطاقة بين أنظمة ذات درجات حرارة مختلفة هي التوصيل، والحمل، والإشعاع.
• 9.3.A.3 تنتقل الطاقة عبر العمليات الحرارية تلقائيًا من نظام عالي درجة الحرارة إلى نظام منخفض درجة الحرارة.
  • 9.3.A.3.i في التصادمات بين ذرات من أنظمة مختلفة، من المرجح أن تُنتقل الطاقة من ذرات عالية الطاقة إلى ذرات منخفضة الطاقة.
  • 9.3.A.3.ii بعد عدد كبير من تصادمات الذرات من أنظمة مختلفة، تكون الحالة الأكثر احتمالًا هي الحالة التي يكون فيها لكلا النظامين نفس درجة الحرارة.
• 9.3.A.4 ينتج التوازن الحراري عندما لا يتم نقل أي طاقة صافية عبر العمليات الحرارية بين نظامين متصدين حراريًا ببعضهما البعض.

الهدف التعليمي 9.4.A: وصف الطاقة الداخلية لنظام ما.

• 9.4.A.1 الطاقة الداخلية للنظام هي مجموع الطاقة الحركية للأجسام المكونة للنظام والطاقة الكامنة لتلك التكوينات.
  • 9.4.A.1.i لا تتفاعل ذرات الغاز المثالي مع بعضها البعض عبر قوى محتفظة، ولا يُؤخذ في الاعتبار البنية الداخلية. لذلك، لا يمتلك الغاز المثالي طاقة كامنة داخلية.
  • 9.4.A.1.ii الطاقة الداخلية لغاز أحادي الذرة مثالي هي مجموع الطاقات الحركية للذرات المكونة له في الغاز.
    • معادلة: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
• 9.4.A.2 يمكن أن تؤدي التغييرات في الطاقة الداخلية لنظام ما إلى تغييرات في بنيته الداخلية وسلوكه الداخلي دون تغيير حركة مركز كتلة ذلك النظام.

الهدف التعليمي 9.4.B: صف سلوك نظام باستخدام العمليات الديناميكية الحرارية.

• 9.4.B.1 قانون الديناميكا الحرارية الأول هو إعادة صياغة لمبدأ حفظ الطاقة يأخذ في الاعتبار الطاقة المنتقلة إلى أو من نظام ما عن طريق الشغل، أو التسخين، أو التبريد.
  • 9.4.B.1.i بالنسبة لنظام معزول، تكون الطاقة الكلية ثابتة.
  • 9.4.B.1.ii بالنسبة لنظام مغلق، يكون التغير في الطاقة الداخلية هو مجموع الطاقة المنتقلة إلى أو من النظام عن طريق التسخين، أو الشغل المبذول على النظام.
    • معادلة: $\Delta U = Q + W$
  • 9.4.B.1.iii الشغل المبذول على نظام بواسطة ضغط خارجي ثابت أو متوسط يغير حجم ذلك النظام (على سبيل المثال، مكبس يضغط غازاً في حاوية) يُعرف بـ
    • معادلة: $W = -P \Delta V$
• 9.4.B.2 مخططات الضغط-الحجم (تُعرف أيضاً بمخططات PV) هي تمثيلات تُستخدم لتمثيل العمليات الديناميكية الحرارية.
  • 9.4.B.2.i تسمى خطوط درجة الحرارة الثابتة على مخطط PV بخطوط متساوية الحرارة.
  • 9.4.B.2.ii القيمة المطلقة للشغل المبذول على غاز عند تمدده أو انضغاطه تساوي المساحة تحت منحنى رسم الضغط مقابل الحجم لذلك الغاز.
• 9.4.B.3 الحالات الخاصة للعمليات الحرارية تعتمد على العلاقة بين تكوين النظام، وطبيعة الشغل المبذول عليه، ومحيطه. وتشمل هذه الحالات: الحجم الثابت (متساوي الحجم)، ودرجة الحرارة الثابتة (متساوية الحرارة)، والضغط الثابت (متساوي الضغط)، بالإضافة إلى العمليات التي لا تنتقل فيها طاقة إلى أو من النظام عبر عمليات حرارية (أدياباتي).

الهدف التعليمي 9.5.A: صف الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة جسم بمقدار معين.

• 9.5.A.1 كمية الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة مادة ما ترتبط بالسعة الحرارية تلك المادة.
  • المعادلة: $Q = mc\Delta T$
• 9.5.A.2 السعة الحرارية للمادة هي خاصية فطرية لتلك المادة تعتمد على ترتيب وتفاعلات الذرات المكونة لها.

الهدف التعليمي 9.5.B: صف معدل انتقال الطاقة بالتوصيل عبر مادة معينة.

• 9.5.B.1 يرتبط معدل انتقال الطاقة بالتوصيل عبر مادة معينة بالموصلية الحرارية، والأبعاد الفيزيائية للمادة، وفرق درجات الحرارة عبرها.
  • المعادلة: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
• 9.5.B.2 الموصلية الحرارية للمادة هي خاصية فطرية لتلك المادة تعتمد على ترتيب وتفاعلات الذرات المكونة لها.

بيان الحدود: سيصوّر AP Physics 2 السعة الحرارية باعتبارها مستقلة عن درجة الحرارة.

الهدف التعليمي 9.6.A: صف التغير في الإنتروبيا لنظام معين بمرور الزمن.

• 9.6.A.1 ينص قانون الديناميكا الحرارية الثاني على أن إجمالي إنتروبيا نظام معزول لا يمكن أن ينخفض أبداً، ويكون ثابتاً فقط عندما تكون جميع العمليات التي يخضع لها النظام عكوسة.
• 9.6.A.2 يمكن وصف الإنتروبيا بشكل نوعي على أنها ميل الطاقة للانتشار أو عدم إمكانية استخدام جزء من طاقة النظام لأداء الشغل.
  • 9.6.A.2.i ستتميز الطاقة المركزة بالانتشار والتوزع.
  • 9.6.A.2.ii الإنتروبيا دالة حالة وبالتالي تعتمد فقط على الحالة الحالية أو تكوين النظام، وليس على كيفية وصول النظام إلى تلك الحالة.
  • 9.6.A.2.iii يحدث أقصى انتروبية عندما يكون النظام في توازن ديناميكي حراري.
• 9.6.A.3 يُحدد التغير في إنتروبيا النظام بتفاعلاته مع محيطه.
  • 9.6.A.3.i تتحرك الأنظمة المعزولة تلقائياً نحو التوازن الديناميكي الحراري.
  • 9.6.A.3.ii لا تنخفض إنتروبيا النظام المعزول أبداً، لكن إنتروبيا النظام المغلق يمكن أن تنخفض لأن الطاقة يمكن أن تنتقل إلى أو من النظام.

بيان الحدود: يقتصر نطاق AP Physics 2 على المعالجة النوعية لقانون الديناميكا الحرارية الثاني.