سوال ۷۱ فیزیک کنکور تجربی ۱۴۰۲ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

۱. تشخیص کمیت مجهول
سؤال ظرفیت گرمایی قطعهٔ فلزی را می‌خواهد، نه گرمای ویژهٔ آن. با تعریف $C=mc$، رابطهٔ گرمای مبادله‌شده به صورت $Q=C\Delta T$ نوشته می‌شود؛ پس نیازی به دانستن جرم فلز ناشناخته نداریم (فیزیک ۱، صفحهٔ ۱۰۱، مثال ۴ـ۹).

۲. نوشتن تراز گرمایی
چون ظرف عایق است و تبادل گرما با ظرف نیز نادیده گرفته می‌شود، مجموع گرماهای مبادله‌شدهٔ آب و دو فلز صفر است. این همان روش به‌کاررفته در مثال آب و دو قطعه فلزی کتاب است (فیزیک ۱، صفحه‌های ۱۰۰–۱۰۱، مثال ۴ـ۸):
$Q_{\text{آب}}+Q_{\text{مس}}+Q_{\text{فلز}}=0$
آب از $15^\circ\mathrm{C}$ به $20^\circ\mathrm{C}$ می‌رسد و گرما می‌گیرد؛ مس و فلز ناشناخته سرد می‌شوند و گرما از دست می‌دهند.

۳. محاسبهٔ گرمای آب و مس
ابتدا جرم‌ها را متناسب با واحد گرمای ویژه به کیلوگرم تبدیل می‌کنیم:
$m_{\text{آب}}=0.520\,\mathrm{kg}$ و $m_{\text{مس}}=0.100\,\mathrm{kg}$.
با استفاده از رابطهٔ $Q=mc\Delta T$ (فیزیک ۱، صفحه‌های ۹۸–۹۹) داریم:
$Q_{\text{آب}}=0.520\times4200\times(20-15)=10920\,\mathrm{J}$
$Q_{\text{مس}}=0.100\times400\times(20-50)=-1200\,\mathrm{J}$
علامت منفی گرمای مس نشان می‌دهد که مس گرما از دست داده است.

۴. به‌دست‌آوردن ظرفیت گرمایی فلز
اگر ظرفیت گرمایی فلز ناشناخته را $C$ بنامیم، تراز گرمایی چنین می‌شود:
$10920-1200+C(20-60)=0$
$9720-40C=0$
$C=\dfrac{9720}{40}=243\,\mathrm{J/K}$
چون اندازهٔ تغییر دما برحسب کلوین و درجهٔ سلسیوس یکسان است، ظرفیت گرمایی در SI برابر $243\,\mathrm{J/K}$ خواهد بود.

پاسخ: گزینهٔ ۲