تبلیغات
حیوانات - علوم
علوم


  فصل 4 : گرما چیست؟

دانشمندان از حدود سه قرن پیش،‌مطالعه ی درباره گرما را آغاز كردند. در آن زمان، مردم معتقد بودند كه گرما یك ماده ی نامرئی است.اعتقاد بر آن بود كه وقتی یك ماده گرم در كنار یك ماده سرد قرار می گیرد، ماده ای نامرئی به نام كالریك از ماده ی گرم خارج می شود و به ماده سرد منتقل می شود. به همین دلیل ماده ی گرم سرد می شود و ماده سرد، ‌گرم می شود.
امروزه می دانیم كه گرما ماده نیست بلكه یكی از صوت های انرژی است. همانطور كه انرژی مكانیكی، الكتریكی و انرژی شیمیایی نیز صورت های دیگری از انرژی هستند و می توانند به هم تبدیل شوند.



  انرژی درونی:

هر ماده از ذرات بی شماری ساخته شده است و هر ذره مقداری انرژی دارد. به مجموعه انرژیهای ذرات سازنده هر ماده انرژی درونی آن ماده می گویند. هر چه ذرات سازنده ماده بیشتر و انرژی هر ذره آن زیادتر باشد. انرژی درونی آن ماده بیشتر است .
انرژی درونی هر ماده ، هم به انرژی جنبشی ذرات آن ماده (یعنی سرعت حركت آن ها) و هم به انرژی پتانسیل (ذخیره شده) ذرات سازنده ی آن ماده بستگی دارد. انرژی پتانسیل هر یك از ذرات سازنده هر ماده در اثر نیرویی كه از طرف ذرات اطراف به آن وارد می شود، بوجود می آید.
هنگامی كه یك جسم گرم در كنار یك جسم سرد قرار می گیرد ،‌مقداری انرژی از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود. درواقع گرما، مقدار انرژی منتقل شده از جسم گرم به جسم سرد است. در اثر انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد، انرژی درونی جسم گرم كاهش و انرژی درونی جسم سرد افزایش می یابد.
 



  واحد اندازه گیری انرژی :

همان طور كه می دانید برای اندازه گیری هر كمیتی مقیاس یا واحدی لازم است به نام یكا. برای مثال یكای طول متر و یكای جرم كیلوگرم است. برای گرما و انرژیهای دیگر نیز یكای ژول را بكار می برند. ژول نام فیزیكدان انگلیسی است كه در زمینه مفهوم گرما تحقیقات فراوانی به عمل آورده است.  



  دما :

گرما و دما دو كمیت مرتبط به یكدیگر هستند، اما این به معنای آن نیست كه هر دو یك كمیت و یك معنا هستند. دمای یك جسم در واقع نشان دهنده ی سرعت حركت ذرات تشكیل دهنده آن است. هر چه سرعت حركت ذرات یك ماده بیشتر باشد دمای آن جسم بالاتر است.
به همین دلیل می توان گفت كه افزایش دمای یك جسم به معنی افزایش انرژی جنبشی ذرات آن جسم است.
 



  گرمای نهان :

از آزمایش صفحه 54 كتاب نتیجه گرفته می شود كه در تمام مدت ذوب یخ، دمای مخلوط آب و یخ ثابت می ماند. بنابراین گرمای داده شده به مخلوط كجا رفته است؟ این گرما صرف تغییر حالت یخ (از حالت جامد به مایع) می شود. یعنی در این حالت، گرچه جسم گرما می گیرد و انرژی درونی آن افزایش می یابد اما دمای آن تغییر نمی كند. به این انرژی گرمای نهان ذوب می گوئیم.
گرمای نهان ذوب عبارت است از مقدار گرمایی كه باید به ماده جامد در دمای نقطه ی ذوب آن بدهیم تا در همان دما از حالت جامد به مایع تبدیل شود.در جدول زیر گرمای نهان ذوب بعضی مواد برای جرم یك كیلوگرم آن ها آورده شده است.

ماده نقطه ذوب گرمای نهان ذوب
آلومینیم 659ºC 321 كیلوژول
سرب 327ºC 25 كیلوژول
پارافین 52/4ºC 220 كیلوژول
یخ 0ºC 333 كیلوژول
جیوه -39ºC 12 كیلوژول
آمونیاك -75ºC 452 كیلوژول


 



  فكر كنید ،‌ ص 55
به نظر شما چرا این انرژی را گرمای نهان ذوب نامگذاری كرده اند؟

چون این انرژی به انرژی درونی جسم تبدیل می شود بدون آنكه دمای جسم تغییر كند.  

همان طور كه برای انجماد ماده باید به آن گرما بدهیم یا از آن گرما بگیریم ،‌برای تبخیر و میعان نیز باید همین كار صورت پذیرد.

فكر كنید 2 ،‌ص 55
آیا می توانید با استفاده از تعریف گرمای نهان ذوب، گرمای نهان انجماد را تعریف كنید؟
به نظر شما آیا گرمای نهان انجماد و جسم با گرمای نهان ذوب آن مساوی است؟

- بله، گرمای نهان انجماد مقدار گرمایی است كه در نقطه انجماد از واحد جرم گرفته تا از حالت مایع به جامد تبدیل شود.
- بله،گرمای نهان ذوب همیشه برابر نهان انجماد است.
 



  انتقال گرما :

گرما به روش های مختلفی از یك جسم به جسم دیگر منتقل می شود.  



  رسانایی :

یكی از راههای انتقال گرما ، رسانایی است. ذره های تشكیل دهنده ی هر ماده دائماً در حال جنبش و نوسان هستند و هر چه ماده بیشتر باشد سرعت نوسان مولكول های آن بیشتر است.

 


  فكر كنید. ص 56
به نظر شما اگر قسمتی از ماده را در هر یك از این سه حالت گرم كنیم (منطقه گرم با رنگ مشخص شده است )‌ گرما در كدام حالت به روش رسانایی بهتر منتقل می شود؟ چرا؟

گرما به روش رسانایی در جامدات بهتر منتقل می شود زیرا فاصله ذره های جسم كمتر است . در جامد ذره ها به هم نزدیكترند و گرما بهتر و زود تر منتقل می شود.  

در انتقال گرما به روش رسانایی، انرژی گرمایی از طریق جنبش مولكول های ماده و ضربه زدن هر مولكول به مولكول های مجاور خود،‌به تدریج به تمام ماده منتقل می شود.
روشن است كه هر چه فاصله های مولكول ها از هم كمتر باشد، یعنی مولكلول ها به هم نزدیكتر باشند گرما با سرعت بیشتری در ماده منتقل می شود. به همین دلیل است كه رسانایی گرمایی جامدات بیش از مایعات و مایعات بیش از گازها است.
در بین مواد جامد، رسانایی گرمایی فلزات از دیگر مواد جامد چون شیشه، لاستیك و چوب بیشتر است. در بین فلزات نیز رسانایی گرمایی بعضی از فلزات از بعضی دیگر بیشتر است.
 



  همرفت :

یكی دیگر از راههای انتقال گرما همرفت یا جا به جایی است. در انتقال گرما به روش همرفت قسمتی از ماده كه گرم شده است به طرف بالا حركت می كند و قسمت های اطراف آن كه هنوز گرم نشده اند جای آن را می گیرند. به این ترتیب انرژی گرمایی از یك نقطه به نقطه دیگر منتقل شده و به تدریج تمام ماده گرم می شود.  



  علت بوجود آمدن جریان همرفتی:

آیا می دانید علت پیدایش جریان همرفتی چیست؟ برای یافتن پاسخ این سؤال ، ابتدا باید با مفهوم به نام چگالی آشنا شوید. چگالی هر ماده، جرم یك سانتی متر مكعب از آن ماده است. برای مثال اگر شما یك قطعه آهن به حجم یك سانتی متر مكعب را در نظر بگیرید این قطعه آهن 8/7 گرم جرم وجود دارد. می گوئیم چگالی آهن 8/7 گرم بر سانتی متر مكعب است. چگالی آب خالص 1 گرم بر سانتی متر مكعب است. جدول زیر ،‌جرم یك سانتی متر مكعب از چند ماده ی مهم را بر حسب گرم (g) را نشان می دهد.

یخ 0/91 جیوه 13/6
مس 8/96 آلومینیم 2/70
بنزین 0/68 چوب پنبه 0/13
طلا 19/32 هوا 0/0013
 

 

اكنون می توان علت بوجود آمدن جریان همرفتی را توضیح داد:
می دانید كه وقتی ماده ای گرم می شود منبسط می شود یعنی فاصله ی مولكول های آن از هم بیشتر می گردد. در نتیجه چگالی آن كاهش می یابد. به همین دلیل است كه وقتی یك قسمت از مایع را گرم می كنیم چگالی آن قسمت از مایع كمتر می شود و آن قسمت به طرف بالا حركت می كند. در این هنگام مایعات اطراف جای آن را پرمی كند. این روال ادامه می یابد و بتدریج تمام مایع گرم می شود.

برای ایجاد جریان همرفتی در یك ماده سه شرط لازم است.
1 – ماده باید مایع یا گاز باشد.
2 – بین دو نقطه ای آن اختلاف دما وجود داشته باشد. یعنی قسمتی از آن گرم و قسمتی دیگر سرد باشد.
3 – قسمت گرم پائین تر از قسمت سرد باشد.