دما و گرما

آنچه در این فصل می‌آموزید :
۱. دما و دماسنجی

۲. انبساط گرمایی

۳. گرما

۴. تغییر حالت های ماده

۵. روش‎‌های انتقال گرما

۱. دما و دماسنجی

تعریف دما
دما کمیتی است که میزان سردی و گرمی اجسام را مشخص می کند.
ما با استفاده از کمیت دما، میزان احساس خود را از گرمی و سردی اجسام یا محیط اطرافمان درک میکنیم.

کمیت دماسنجی

مثلاً در یک دماسنج معمولی هر قدر هوای محیط گرمتر شود، طول ستون دمای مایع بیشتر می شود. در اینجا به طول ستون مایع کمیت دماسنجی گفته می شود.

مقیاس های دما

مقیاس سلسیوس:

در این مقیاس دمای مخلوط آب و یخ خالص در حال تعادل در فشار متعارف جو (۱atm) را صفر درجه سلسیوس و دمای بخار آب جوش خالص در فشار جو متعارف را ۱۰۰ درجه سلسیوس قرار می دهند و بین صفر تا ۱۰۰ را به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می کنند و هر قسمت را یک درجه سلسیوس (C°) یا سانتی گراد می نامند. دمای سلسیوس را معمولا با 𝜽 نمایش می دهند.

کلوین:

یکای دما در  SI کلوین است و معمولا با حرف  T نمایش داده می شود. صفر کلوین که به آن صفر مطلق هم می گویند، برابر با -۲۷۳٫۱۵°C  است. فاصله درجه بندی کلوین با فاصله درجه بندی سلسیوس یکی است. بنابر این برای تبدیل دما از سلسیوس به کلوین از رابطه زیر استفاده می کنیم:

فارنهایت

در این مقیاس، نقطه ثابت پایینی و نقطه ثابت بالایی به گونه ای انتخاب شده است که دمای مخلوط آب و یخ در حالت تعادل ۳۲ درجه فارنهایت و دمای جوش آب ۲۱۲ درجه فارنهایت نشان داده می شود.دمای فارنهایت با (F)  نشان داده می شود. رابطه بین دمای فارنهایت و سلسیوس(𝜽)  به صورت زیر است:

سوال ۱:

سوال ۲:

دماسنج های معیار

۲. انبساط گرمایی

بیشتر اجسام در اثر افزایش دما، منبسط می شوند و با کاهش دما نیز از حجم شان کم می شود.
توجیه انبساط گرمایی، مبتنی بر دیدگاه میکروسکوپی است.
تحلیل های پیشرفته تر نشان می دهد که نیروی بین اتمی درجامدها شبیه نیروی فنر است.
هر اتم در اطراف محل تعادل خود ارتعاش می کند و با افزایش دما و گرفتن انرژی، بر دامنه نوسان اتم ها اضافه شده و فاصله ی متوسط آنها از یکدیگر افزایش می یابد و به طور ظاهری میبینیم که جسم ( از نظر طول و سطح و حجم افزایش پیدا می کند) منبسط می شود.

انبساط طولی

سوال ۳:

انبساط سطحی

ضریب انبساط سطحی تقریبا ۲ برابر ضریب انبساط طولی است.

سوال ۴:

انبساط حجمی
مشابه آنچه که در مورد انبساط طولی داشتیم ، برای مقدار انبساط حجم اجسام جامد نیز می توان نوشت:

سوال ۵:

انبساط مایع ها
در مایع با افزایش دما حرکت کاتوره ای اتم ها و مولکول ها بیشتر میشود. این افزایش حرکت ها باعث دور شدن اتم ها و مولکول ها از هم می شود و حجم مایع افزایش می یابد.
مایعات شکل معینی ندارند پس برای آنها فقط انبساط حجمی در نظر گرفته می شود.
آزمایش ها نشان می دهد که رابطه ی انبساط حجمی مایع ها و جامدها شبیه یکدیگر است.

مقایسه ضریب انبساط حجمی جامدها با ضریب انبساط حجمی مایعات نشان می دهد انبساط حجمی جامدها عموما از مایعات بسیار کمتر است و به همین دلیل در بسیاری از محاسبات می توان از مقدار افزایش حجم جامد در مقابل افزایش حجم ظرف صرف نظر کرد. اما اگر انبساط ظرف در نظر گرفته شود خواهیم داشت:

سوال ۶:

انبساط غیر عادی آب
حجم بیشتر مایع ها با کم شدن دما کاهش مییابد در نتیجه چگالی آنها افزایش می یابد.
اما رفتار آب در محدوده دمایی ۰درجه سلسیوس تا ۴درجه سلسیوس متفاوت است.
یعنی در این محدوده با افزایش دما حجم آب کاهش و چگالی افزایش می یابد.لذا با کاهش حجم چگالی افزایش و با افزایش حجم چگالی کاهش پیدا می کند. بنابراین آب در ۴درجه سلسیوس کمترین حجم و بیشترین چگالی را دارا است.

۳. گرما

گرما یک نوع انرژی است که به علت اختلاف دمای بین دو جسم انتقال مییابد. بنابراین برای یکای گرما از همان یکای انرژی، یعنی ژول (J) می توان استفاده کرد. یکای دیگر گرما کالری (cal) است که درموارد خاصی از آن استفاده می شود.

تعادل گرمایی

هرگاه دو جسم با دماهای متفاوت را به یکدیگر تماس دهیم گرما از جسم با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر منتقل شده و این عمل آنقدر ادامه پیدا می کند تا دو جسم به دمای یکسان (تعادل) برسند.از دیدگاه میکروسکوپی، آنچه که اتفاق می افتد کاهش انرزی جنبشی و پتانسیل مربوط به حرکت کاتوره ای اتم ها، مولکول ها و سایر اجزای میکروسکوپی داخل جسم گرم و افزایش همین مقدار انرژی در داخل جسم سرد است تا آنکه دو جسم به تعادل گرمایی برسند.

ظرفیت گرمایی
مقدار گرمایی که به جسم داده می شود تا دمای آن یک کلوین بالا رود. آن را با حرف C نمایش می دهیم که به جنس جسم و جرم آن بستگی دارد و یکای ظرفیت گرمایی ژول بر کلوین است.

ظرفیت گرمایی ویژه
این کمیت به اندازه گیری گرما کمک می کند.
مقدار گرمایی است که به واحد جرم جسم داده می شود تا بدون تغییر حالت دمای آن یک درجه سلسیوس یا یک کلوین افزایش یابد.

سوال ۷ :

۴. تغییر حالت های ماده

مواد موجود در اطراف ما در سه حالت جامد، مایع و گاز (یا بخار) وجود دارند.
به حالت ماده، فاز گفته می شود و به تغییرات حالت ماده گذار فاز می گویند

دمای تعادل
اگر دو یا چند جسم با دماهای مختلف در تماس با یکدیگر قرار گیرند، پس از مدتی هم دما می شوند، یعنی
دمای آنها به مقدار یکسانی می رسد که اصطلاحاً دمای تعادل نامیده می شود.

بنابر قرارداد، جمع جبری انرژی گرمایی مبادله شده بین اجسامی که در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند، صفر است.

سوال ۸:

۵. روش‎‌های انتقال گرما

راه های انتقال گرما
رسانش گرمایی، همرفت، تابش گرمایی
۱. رسانش گرمایی
در رسانش گرمایی هنگامی که دمای قسمتی از جسم افزایش می یابد. اتم ها انرژی دریافت می کنند و ارتعاش آنها شدیدتر می شود، این امر سبب انتقال گرما از قسمت گرمتر جسم به قسمت سردتر می شود. در فلزات این الکترون های آزاد هستند که در رسانش گرمایی نقش اصلی را بازی کرده و در اثر تندی و حرکتی که دارند با برخورد با سایر الکترون ها و اتم ها سبب انتقال گرما می شوند.
در اجسام عایق گرمایی این نبود الکترون آزاد است که سبب نارسایی گرمایی می شود.

همرفت

مایعات و گازها معمولاً رساناهای خوبی نیستند.
انتقال گرما در مایعات و گازها همراه با جابه جایی بخشی از ماده رخ می دهد که به این روش انتقال گرما همرفت می گوییم.

در انتقال گرما از طریق همرفت در اثر افزایش دما ، چگالی ماده کاهش می یابد، سبک می شود و به علت نیروی شناوری (بنا به اصل ارشمیدس) که در شاره ها عمل می کند، به سمت بالا می رود و شاره ی با چگالی بیشتر جایگزین آن می شود.
به عنوان مثال انتقال گرما از کوره ی حرارتی در مرکز ستاره ها به سطح آنها، گرم شدن آب در کتری و از طریق همرفت انجام می شود. به این نمونه ها همرفت طبیعی می گوییم.

همرفت واداشته
در این مورد شاره به کمک یک تلمبه (مصنوعی یا طبیعی) وادار به چرخش می شود. مثل سیستم گرم کننده مرکزی در ساختمان ها یا سیستم خنک کننده موتور خودرو. دستگاه گردش خون در جانوران خونگرم نمونه ای از انتقال گرما از طریق همرفت واداشته است.

وارونگی هوا

در شب های سرد و بدون ابر زمستان، همرفت طبیعی در جو زمین متوقف می شود.
در این شب ها هوای نزدیکی زمین سردتر از لایه های بالایی است (که البته لایه های گرم بالایی قبلا بر اثر پدیدهی همرفت طبیعی در طول روز ایجاد شده بودند).
بنابراین هوای سرد نمی تواند بالا برود. به این پدیده وارونگی هوا می گوییم. در این حالت آلاینده های صنعتی و شهری واقع در هوای سرد مجاور زمین در این لایه حبس می شوند. علت نام گذاری وارونگی هوا این است که روند طبیعی بالا رفتن هوای گرم و پایین آمدن هوای سرد به هم میخورد.
در اثر افزایش دما و گرم شدن هوا یا وزیدن باد روند همرفت طبیعی دوباره انجام می شود.

بیشتر بدانیم

مه چیست و چگونه تشکیل می شود؟

یکی از سوال هایی که ممکن است در طی روز فکر شما را به خود مشغول کند نحوه تشکیل مه می باشد. باید بدانید که این پدیده یکی از زیبا ترین پدیده هایی می باشد که ممکن است با آن رو به رو باشید. در ادامه نحوه ایجاد شدن آن را برایتان بیان می کنیم. زیبا ترین مه نوع یخی آن می باشد که شما می توانید با استفاده از نور چراغ ماشین خود این مه ها را به خوبی ببینید و از زیبایی آن ها لذت ببرید.

چگونگی تشکیل مه

اگر شما چگونگی تشکیل ابر را می دانید و این کار برای شما روشن و واضح می باشد بهتر است با روش های ایجاد مه هم آشنایی داشته باشید. باید بدانید که مه همان ابری است که روی زمین ایجاد شده است و از نظر شکل گیری روش های گوناگونی دارد. به صورت کلی برای ایجاد مه باید رطوبت بسیار زیادی روی زمین وجود داشته باشد تا این پدیده بسیار زیبا و خطرساز ایجاد شود. همانطور که می دانید رانندگی در مه بسیار سخت و خطرناک می باشد و سالانه تصادفات بسیاری را ایجاد می کند که در ادامه روش های ایجاد مه را برایتان بیان خواهیم کرد.

مه تابشی

در این روش در صورتی ابر روی زمین تشکیل می شود که یک توده هوای مرطوب در مجاورت هوای سرد قرار بگیرد. در واقع این بستر سرد می تواند برف، یخ زدگی زمین و یا حتی سطح یک اقیانوس با آب سرد باشد. البته ممکن است هیچ کدام از این ها نباشد و تنها سطح زمین بسیار سرد باشد. در واقع توده هوای سرد در مجاورت توده هوای مرطوب قرار می گیرد و می تواند دمای آن را کم کم پایین بیاورد و مه تشکل دهد. البته اگر نا خالصی های جاذب داشته باشیم این مه زود تر ایجاد می شود. برای ایجاد این نوع مه نیازی به وزش باد نداریم و زمانی که باد حضور داشته باشد این نوع مه ایجاد نمی شود. مه تابشی را بیش تر در شب های سرد و آرام زمستان می توانید ببینید.

مه وزشی

به این نوع مه انتقالی هم گفته می شود و برای ایجاد شدن این نوع از ابر ها در نزدیکی زمین باید یک توده هوای بسیار سرد از یک سطح مرطوب عبور کند. در واقع این هوای سرد می تواند رطوبت را به خود بگیرد و اشباع شود. در واقع این نوع مه ها را بیش تر در نزدیکی دریا ها و دریاچه ها و یا حتی رودخانه ها مشاهده خواهید کرد. باید بدانید که هوای سرد پذیرش بسیار زیادی برای دریافت رطوبت دارد و بیش ترین مه که ایجاد می شود از این نوع مه ها می باشد. بر خلاف مه تابشی در مه انتقالی و یا وزشی نیازمند وزش ملایم باد هستیم و در صورتی که باد شدید بوزد دیگر مه انتقالی ایجاد نخواهد شد.

مه کوهستانی

این مه با شرایط خاص ایجاد می شود و زمانی اتفاق می افتد که یک توده هوای مرطوب به کمک باد به سمت ارتفاعات برده شود و در آن حا کم کم اشباع شود مه کوهستانی ایجاد می شود و این مه بیش تر باعث پوشیده شدن قله ها و ارتفاعات می شود. در صورت کلی زمانی که مه تشکیل می شود باید سه عامل وجود داشته باشد که این سه عامل رطوبت، سرما و هسته های جاذب می باشد. البته بسیاری از انواع دیگر مه ها وجود دارد که در اثر افزایش فعالیت کارخانه ها و دود حاصل از آن ها ایجاد می شود که بسیار خطرناک است و می تواند باعث بسیاری از بیماری های تنفسی و سرطان شود.

 نکته : در نظر داشته باشید که در دما های بسیار سرد مه یخی ایجاد می شود. این مه بلور های یخی دارد و شما می توانید یک صحنه بسیار زیبا و دل نشین مشاهده کنید.

منبع : آرگا

چنانچه دوست دارید مه درست کنید ، میتوانید بر روی تصویر زیر کلیک کنید تا آموزش مربوط به آن را مشاهده کنید.

تست های فصل چهارم

تست ۱)

تست ۲)

تست ۳)

تست ۴)

تست ۵)

تست ۶)

تست ۷)

تست ۸)

تست ۹)

تست ۱۰)