فصل 4 : گرما چيست؟

دانشمندان از حدود سه قرن پيش،‌مطالعه ي درباره گرما را آغاز كردند. در آن زمان، مردم معتقد بودند كه گرما يك ماده ي نامرئي است.اعتقاد بر آن بود كه وقتي يك ماده گرم در كنار يك ماده سرد قرار مي گيرد، ماده اي نامرئي به نام كالريك از ماده ي گرم خارج مي شود و به ماده سرد منتقل مي شود. به همين دليل ماده ي گرم سرد مي شود و ماده سرد، ‌گرم مي شود.
امروزه مي دانيم كه گرما ماده نيست بلكه يكي از صوت هاي انرژي است. همانطور كه انرژي مكانيكي، الكتريكي و انرژي شيميايي نيز صورت هاي ديگري از انرژي هستند و مي توانند به هم تبديل شوند.



  انرژي دروني:

هر ماده از ذرات بي شماري ساخته شده است و هر ذره مقداري انرژي دارد. به مجموعه انرژيهاي ذرات سازنده هر ماده انرژي دروني آن ماده مي گويند. هر چه ذرات سازنده ماده بيشتر و انرژي هر ذره آن زيادتر باشد. انرژي دروني آن ماده بيشتر است .
انرژي دروني هر ماده ، هم به انرژي جنبشي ذرات آن ماده (يعني سرعت حركت آن ها) و هم به انرژي پتانسيل (ذخيره شده) ذرات سازنده ي آن ماده بستگي دارد. انرژي پتانسيل هر يك از ذرات سازنده هر ماده در اثر نيرويي كه از طرف ذرات اطراف به آن وارد مي شود، بوجود مي آيد.
هنگامي كه يك جسم گرم در كنار يك جسم سرد قرار مي گيرد ،‌مقداري انرژي از جسم گرم به جسم سرد منتقل مي شود. درواقع گرما، مقدار انرژي منتقل شده از جسم گرم به جسم سرد است. در اثر انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد، انرژي دروني جسم گرم كاهش و انرژي دروني جسم سرد افزايش مي يابد.  



  واحد اندازه گيري انرژي :

همان طور كه مي دانيد براي اندازه گيري هر كميتي مقياس يا واحدي لازم است به نام يكا. براي مثال يكاي طول متر و يكاي جرم كيلوگرم است. براي گرما و انرژيهاي ديگر نيز يكاي ژول را بكار مي برند. ژول نام فيزيكدان انگليسي است كه در زمينه مفهوم گرما تحقيقات فراواني به عمل آورده است.  



  دما :

گرما و دما دو كميت مرتبط به يكديگر هستند، اما اين به معناي آن نيست كه هر دو يك كميت و يك معنا هستند. دماي يك جسم در واقع نشان دهنده ي سرعت حركت ذرات تشكيل دهنده آن است. هر چه سرعت حركت ذرات يك ماده بيشتر باشد دماي آن جسم بالاتر است.
به همين دليل مي توان گفت كه افزايش دماي يك جسم به معني افزايش انرژي جنبشي ذرات آن جسم است.  



  گرماي نهان :

از آزمايش صفحه 54 كتاب نتيجه گرفته مي شود كه در تمام مدت ذوب يخ، دماي مخلوط آب و يخ ثابت مي ماند. بنابراين گرماي داده شده به مخلوط كجا رفته است؟ اين گرما صرف تغيير حالت يخ (از حالت جامد به مايع) مي شود. يعني در اين حالت، گرچه جسم گرما مي گيرد و انرژي دروني آن افزايش مي يابد اما دماي آن تغيير نمي كند. به اين انرژي گرماي نهان ذوب مي گوئيم.
گرماي نهان ذوب عبارت است از مقدار گرمايي كه بايد به ماده جامد در دماي نقطه ي ذوب آن بدهيم تا در همان دما از حالت جامد به مايع تبديل شود.در جدول زير گرماي نهان ذوب بعضي مواد براي جرم يك كيلوگرم آن ها آورده شده است.

ماده نقطه ذوب گرماي نهان ذوب
آلومينيم 659ºC 321 كيلوژول
سرب 327ºC 25 كيلوژول
پارافين 52/4ºC 220 كيلوژول
يخ 0ºC 333 كيلوژول
جيوه -39ºC 12 كيلوژول
آمونياك -75ºC 452 كيلوژول

انتقال گرما :

گرما به روش هاي مختلفي از يك جسم به جسم ديگر منتقل مي شود.  



  رسانايي :

يكي از راههاي انتقال گرما ، رسانايي است. ذره هاي تشكيل دهنده ي هر ماده دائماً در حال جنبش و نوسان هستند و هر چه ماده بيشتر باشد سرعت نوسان مولكول هاي آن بيشتر است.

همرفت :

يكي ديگر از راههاي انتقال گرما همرفت يا جا به جايي است. در انتقال گرما به روش همرفت قسمتي از ماده كه گرم شده است به طرف بالا حركت مي كند و قسمت هاي اطراف آن كه هنوز گرم نشده اند جاي آن را مي گيرند. به اين ترتيب انرژي گرمايي از يك نقطه به نقطه ديگر منتقل شده و به تدريج تمام ماده گرم مي شود.  



  علت بوجود آمدن جريان همرفتي:

آيا مي دانيد علت پيدايش جريان همرفتي چيست؟ براي يافتن پاسخ اين سؤال ، ابتدا بايد با مفهوم به نام چگالي آشنا شويد. چگالي هر ماده، جرم يك سانتي متر مكعب از آن ماده است. براي مثال اگر شما يك قطعه آهن به حجم يك سانتي متر مكعب را در نظر بگيريد اين قطعه آهن 8/7 گرم جرم وجود دارد. مي گوئيم چگالي آهن 8/7 گرم بر سانتي متر مكعب است. چگالي آب خالص 1 گرم بر سانتي متر مكعب است. جدول زير ،‌جرم يك سانتي متر مكعب از چند ماده ي مهم را بر حسب گرم (g) را نشان مي دهد.

يخ 0/91 جيوه 13/6
مس 8/96 آلومينيم 2/70
بنزين 0/68 چوب پنبه 0/13
طلا 19/32 هوا 0/0013
 

 

اكنون مي توان علت بوجود آمدن جريان همرفتي را توضيح داد:
مي دانيد كه وقتي ماده اي گرم مي شود منبسط مي شود يعني فاصله ي مولكول هاي آن از هم بيشتر مي گردد. در نتيجه چگالي آن كاهش مي يابد. به همين دليل است كه وقتي يك قسمت از مايع را گرم مي كنيم چگالي آن قسمت از مايع كمتر مي شود و آن قسمت به طرف بالا حركت مي كند. در اين هنگام مايعات اطراف جاي آن را پرمي كند. اين روال ادامه مي يابد و بتدريج تمام مايع گرم مي شود.

براي ايجاد جريان همرفتي در يك ماده سه شرط لازم است.
1 – ماده بايد مايع يا گاز باشد.
2 – بين دو نقطه اي آن اختلاف دما وجود داشته باشد. يعني قسمتي از آن گرم و قسمتي ديگر سرد باشد.
3 – قسمت گرم پائين تر از قسمت سرد باشد.  

تابش :

سومين راه انتقال گرما تابش است. در انتقال گرما به روش تابش ، نيازي بوجود ماده نيست. گرماي خورشيد به همين شيوه در فضاي خالي از ماده (خلاء) منتقل مي شود و به زمين مي رسد. اگر تا به حال در مقابل يك بخاري برقي يا هيزمي قرار گرفته باشيد، انتقال گرما به اين روش را بخوبي حس كرده ايد.

 

معمولاً تصور مي شود كه وقتي مقابل آفتاب قرار مي گيريم، نور خورشيد ما را گرم مي كند.اين تصور نه كاملاً غلط است و نه درست. همان طور كه مي دانيد نور خورشيد تركيبي از رنگ هاي مختلف همچون بنفش ، آبي، سبز، زرد و قرمز است. به اين قسمت از نور خورشيد نور مرئي مي گويند. علاوه بر اين در تابش خورشيد پرتوهايي نامرئي نيز وجود دارد كه يك دسته از آن ها پرتوهاي فروسرخ (مادون قرمز) است. اين پرتوها وقتي به جسمي بتابد گرماي بيشتر توليد مي كنند. پرتوهاي فروسرخ، نوعي موج الكترو مغناطيسي به حساب مي آيند.
در اتو يا لامپ انرژي الكتريكي به انرژي تابشي تبديل مي شود، در يك لامپ معمولي، حدود 20 درصد از انرژي الكتريكي به نور مركز و حدود 80 درصد به پرتوهاي فروسرخ تبديل مي شود.
بطور كلي هر جسمي در هر دمايي كه باشد، همواره مقداري انرژي تابشي از محيط اطراف خود دريافت مي كند و مقداري انرژي تابشي در محيط منتشر مي سازد. وقتي يك جسم گرم و يك جسم سرد در كنار هم قرار مي گيرند،‌مقدار انرژي كه جسم سرد مي گيرد، بيش از مقداري است كه به محيط مي دهد بنابراين گرما به تدريج از جسم گرم به جسم سرد منتقل مي شود تا اين كه دو جسم به دماي تعادل برسند يعني با هم، هم دما شوند.

 


  گرم سازي و سرد سازي :
گاه انسان براي رسيدن به دماي مناسب و مورد نظر گاهي مجبور است دما را كاهش و گاهي افزايش دهد. اين كار چگونه انجام مي گيرد؟



  گرم سازي :

بايد بدانيم كه گرم سازي نياز به يك منبع گرما دارد. اين منبع گرما ممكن است آتش حاصل از تبديل انرژي شيميايي سوخت به انرژي گرمايي، گرماي حاصل از جريان برق يا گرماي خورشيد باشد.
بخاري نفتي معمولاً يك جريان همرفتي در اتاق ايجاد مي كند كه سبب مي شود اتاق گرم شود. يكي ديگر از وسايل گرم كننده،‌در محيط هاي مسكوني شوفاژ است. در شوفاژ ، آب در مجاورت منبع گرما داغ مي شود. (در موتور خانه شوفاژ) و سپس از طريق لوله هايي به درون رادياتورها كه در محيط نصب شده است،‌حركت مي كند. وقتي رادياتور داغ مي شود هواي اطراف خود را گرم مي كند و محيط را به روش همرفت گرم مي كند.  



  جلوگيري از اتلاف گرما:

همان طور كه مي دانيد بعضي از منابع انرژي مورد استفاده ما هم چون خورشيدي،‌انرژي باد و آب هاي جاري كه به آن مربوط مي شوند و نيز انرژي گرمايي درون زمين و انرژي امواج و جزر و مد، انرژي هايي هستند كه تا مدت ها در اختيار ما خواهند بود. به اين زودي تمام نخواهد شد. از اين رو به آنها منابع انرژي تمام نشدني مي گويند. در مقابل بعضي ديگر از منابع انرژي هم چون نفت، زغال سنگ گاز طبيعي منابع تمام شدني هستند.

سردسازي :

انسان براي رسيدن به دماي مناسب مجبور است دماي موجود را افزايش يا كاهش دهد، اما بهتر است بدانيد كه به طور كلي گرم سازي بسيارآسان تر از سردسازي است. سردسازي معمولاً با استفاده از تبخير مايع ها انجام مي شود. زيرا هر گاه مايعي بخواهد تبخير شود. براي تبخير شدن مقداري گرما از محيط اطراف خود جذب مي كند واين امر سبب مي شود كه دماي محيط اطراف كاهش يابد.
در يخچال ها،‌سردخانه ها و كولرهاي گازي نيز تبخير يك مايع سبب سرد شدن محيط داخل آن مي شود.براي مثال در يخچال مايعي به نام فريون در داخل لوله هايي كه در قسمت يخ ساز قرار دارد وارد مي شود. اين مايع گرما را از آن محيط مي گيرد بخار مي شود.
در نتيجه موادي كه داخل يخچال هستند، كاملاً سرد مي شوند. سپس فريون كه حالا به بخار تبديل شده است،‌از طريق لوله به محيط خارج از يخچال منتقل و بوسيله ي موتور الكتريكي يخچال فشرده مي شود و گرماي خود را از دست مي دهد . ... فريون دوباره به مايع تبديل و به درون يخ ساز فرستاده مي شود. اين عمل آن قدر ادامه مي يابد كه يخچال كاملاً سرد مي شود.

كار و گرما :

يكي از مهم ترين موارد استفاده از گرما، استفاده از آن در صنعت و به حركت درآوردن انواع ماشين هاست. اين كار از طريق تبديل انرژي گرمايي به انرژي مكانيكي انجام مي شود. دستگاهي كه انرژي گرمازا به انرژي مكانيكي تبديل مي كند. ماشين گرمايي نام دارد، ماشين گرمايي انواع گوناگوني دارد.  



  موتور اتومبيل :

: موتور اتومبيل ها و موتور سيكلت ها يكي از رايج ترين انواع ماشين هاي گرمايي است. در اين نوع موتورها، ابتدا مخلوطي از سوخت و هوا به داخل يك محفظه فلزي ‌استوانه اي شكل ،‌به نام سيلندر مكيده مي شود. (مرحله مكش)، سپس با بالا آمدن پيستون اين مخلوط فشرده مي شود (مرحله فشرده شدن)، پس از آن شمع اتومبيل جرقه مي زند و مخلوط را مشتعل مي كند (مرحله آتش گرفته) و در مرحله ي آخر، پيستون دوباره به بالا حركت مي كند و دودهاي حاصل از سوختن مخلوط را به بيرون مي راند( مرحله خروج دود) به چنين موتوري چهارزمانه مي گويند.

 

موتور جت :

نوع ديگري از موتورهايي گرمايي موتور جت است. از موتور جت معمولاً در هواپيما استفاده مي شود. موتور جت پيستون ندارد، بلكه هوا به وسيله يك دمنده به داخل موتور جت دميده مي شود و مي سوزد و مقدار زيادي گاز( گازهاي داغ) با فشار زياد توليد مي كند. اين گازها كه با سرعت زياد از داخل موتور جت خارج مي شوند، در مسير خود، چرخ دايره دار بزرگي به نام توربين را كه در سر راه قرار دارد به حركت در مي آورند.

 


  موتور موشك :

موتور موشك به عنوان سومين ماشين گرمايي،‌خود نوعي موتور جت است. در موتور موشك سوخت با اكسيژن مخلوط مي شود و در محفظه ي احتراق مي سوزد. در نتيجه اين عمل، مقدار زيادي گاز داغ با سرعت زياد از انتهاي موشك خارج مي شود.همانطور كه بادكنك هنگام حركت در جهت مخالف هوايي كه از درونش خارج مي شود. حركت مي كند، موشك نيز در جهت مخالف گازهاي داغ كه از انتهاي آن خارج مي شود به طرف جلو حركت مي كند.
موشك ها چون مي توانند اكسيژن مورد نيازشان را با خود حمل كنند،‌ بنابراين در خارج از جو زمين و مسافرت هاي فضايي مورد استفاده قرار مي گيرند.