سوال ۷۴ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت دوم · سوال ۷۴ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۱ (ریاضی) · فصل ۵: ترمودینامیک
مقدار معینی گاز کامل، از طریق فرایندهای متفاوتی از حالت (، و ) به حالت (، و ) رسیده است. کدام کمیتهای ذکرشده، به نوع فرایند در این مسیر بستگی ندارد؟
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۲ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
۱. تشخیص کمیت وابسته به حالت
برای مقدار معینی گاز کامل، انرژی درونی فقط به دمای گاز بستگی دارد، نه به چگونگی رسیدن گاز به آن دما (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۳۰). در این سؤال، تمام مسیرها از دمای آغاز میشوند و به دمای میرسند؛ بنابراین انرژیهای درونی ابتدا و انتها در همهٔ مسیرها یکساناند و داریم:
پس تغییر انرژی درونی به نوع فرایند وابسته نیست. همین استدلال در مثال مربوط به مسیرهای مختلف بین دو دمای معین نیز به کار رفته است (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۳۸).
۲. بررسی کار انجامشده روی گاز
کار به مسیر فرایند بستگی دارد؛ بنابراین یکسان بودن حالتهای ابتدا و انتها، یکسان بودن کار را تضمین نمیکند. کتاب نیز تصریح میکند که کار در فرایندهای مختلف میان دو حالت یکسان میتواند متفاوت باشد (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۳۰).
۳. بررسی گرمای مبادلهشده
با قرارداد کتاب، اگر کار انجامشده روی گاز باشد، قانون اول ترمودینامیک به صورت زیر است:
بین دو حالت معین، ثابت است؛ اما چون میتواند با مسیر تغییر کند، نیز میتواند متفاوت باشد. پس گرمای مبادلهشده هم مستقل از مسیر نیست.
در نتیجه، از میان کمیتهای ذکرشده، فقط تغییر انرژی درونی به نوع فرایند بستگی ندارد.
پاسخ: گزینهٔ ۲
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: ممکن است دانشآموز تصور کند یکسان بودن حالتهای ابتدا و انتها، کار را هم یکسان میکند؛ اما کار به مسیر فرایند وابسته است و مسیرهای متفاوت میتوانند کارهای متفاوتی داشته باشند.
- گزینهٔ ۳: این انتخاب میتواند ناشی از اشتباه گرفتن ثابت بودن مجموع گرما و کار با ثابت بودن تکتک آنها باشد. قانون اول فقط مجموع را برای این دو حالت معین ثابت میکند، نه هرکدام را جداگانه.
- گزینهٔ ۴: بخش مربوط به تغییر انرژی درونی درست است، اما افزودن گرمای مبادلهشده این گزینه را نادرست میکند؛ زیرا طبق ، با تغییر کار مسیر، گرمای مبادلهشده نیز تغییر میکند.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- در بخش انرژی درونی و قانون اول ترمودینامیک، تفاوت کمیت وابسته به حالت و کمیت وابسته به مسیر را مرور کن (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۳۰).
- برای مقدار معینی گاز کامل، انرژی درونی فقط تابع دماست. بررسی کن یکسان بودن حالتهای ابتدا و انتهای مسیرها، چه چیزی را دربارهٔ دماهای ابتدا و انتها تضمین میکند.
- قانون اول را به صورت بنویس. اگر میان دو حالت معین، کار در مسیرهای مختلف تغییر کند، آیا گرما میتواند در همهٔ مسیرها ثابت بماند؟