X
تبلیغات
پیامک
علوم تجربی


فیزیک فصل 4 – گرما

گرما:

 صورتی از انرژی است که در اثر اختلاف دما از جسم گرم به جسم سرد منتفل می شود.
واحدا اندازه گیری گرما ژول (J) است ولی از واحدهای دیگر چون کالری (Cal) و کیلوکالری(Kcal) نیز استفاده می شود.

تعریف کالری:

 مقداری گرمایی است که به یک گرم از جسم داده می شود تا دمای آن 10C افزایش یابد.


نکته: هر کیلو کالری برابر 1000 کالری است. 1kcal=1000cal
نکته: هر کالری معادل 18/4 ژول می باشد.


انرژی درونی:

 به مجموعه ی انرژی های ذرات سازنده ی هر ماده انرژی درونی آن ماده می گویند.

 

عوامل موثر بر انرژی درونی:
1- تعداد ذرات سازنده ی هر ماده.

2-   

نکته1: هر چه ذرات سازنده ی یک ماده بیش تر و انرژی هر ذره ی آن زیادتر باشد، انرژی درونی آن ماده بیش تر است.
نکته2: انرژی پتانسیل هر یک از ذرات سازنده ی هر ماده در اثر نیرویی است که از طرف ذرات اطراف به آن وارد می شود، به وجود می آید.

اثرات گرما:
1- تغییر ماده:

 گرما می تواند دمای اجسام را تغییر دهد یعنی باعث افزایش دمای اجسام می گردد.

2- انبساط و انقباض(تغییر طول، سطح و حجم):

 گرما(غیر از موارد استثنایی) باعث حجم اجسام می شود. یعنی باعث می شود حجم جسم بیش تر شود.

3- تغییر حالت:

 گرما می تواند سبب تغییر حالت اجسام شود.

هریک از تغییر حالت های زیر بر اثر وجود یا عدم وجود گرما در اجسام رخ می دهد:
الف) ذوب: تبدیل جامد به مایع در اثر گرفتن گرما
ب) انجماد: تبدیل مایع به جامد بر اثر از دست دادن گرما
ج) تبخیر: تبدیل مایع به بخار (گاز) در اثر گرفتن گرما
د) میعان: تبدیل گاز به مایع در اثر از دست دادن گرما
ه) تصعید(فرازش): فرازش تبدیل جامد به بخار در اثر گرفتن گرما
و) چگالش (تبرید): تبدیل بخار (گاز) به جامد در اثر از دست دادن گرما

 

4- گرما باعث افزایش سرعت واکنش های شیمیایی می شود.


5- گرما باعث می شود چگالی(جرم حجمی) فلزات تغییر کند.

6- گرما را مستقیما می توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.


نکته: در انتقال گرما ازجسم گرم به جسم سرد، انرژی درونی جسم گرم کاهش یافته و انرژی درونی جسم سرد افزایش می یابد.

انرژی درونی یک جسم می تواند از راههای زیر افزایش یابد:
1- انجام کار
2- انتقال انرژی گرمایی
3- به هر دو طریق

دما: دما یک کمیت نسبی و مقایسه ای است که میزان گرمی و سردی اجسام را نشان می دهد.


نکته: دما را با دستگاهی به نام دماسنج یا ترمومتر اندازه گیری می کنند.
دماسنج ها انواع متفاوتی دارند ولی متداول ترین آن ها دماسنج های جیوه ای و الکلی است که بر اساس انبساط مایعات (تغییر حجم مایعات) عمل می کند.

 

مقیاس های اندازه گیری دما:
1- دماسنج سلسیوس(سانتی گراد):

 در این دماسنج نقطه ذوب یخ خالص صفر و نقطه ی جوش آب خالص صد انتخاب شده است و فاصله ی بین صفر تا صد به صد قسمت مساوی تقسیم شده است.
نکته:دما بر حسب درجه سانتی گراد را نماد
Ө (تتا) نشان می دهند.

2- دمای مطلق (کلوین) Tk :

در این دماسنج نقطه ذوب یخ 273 ونقطه جوش آب 373 وفاصله بین این دو عدد به 100 قسمت مساوی تقسیم شده است.

3- فارنهایت (F) :

در این دماسنج نقطه ذوب یخ 32 و نقطه جوش آب 212 انتخاب شده و فاصله ی بین این دو عدد به 180 درجه تقسیم شده است.

4- رئومور (R):

در این دماسنج نقطه ذوب یخ صفر و نقطه جوش آب 80 انتخاب شده و فاصله بین این دو عدد به 80 قسمت تقسیم شده است.

 

رابطه بین دما در دماسنج های متفاوت:
برای تبدیل هر یک از مقیاس های اندازه گیری دما به یکدیگر می توان از رابطه ی مقابل استفاده کرد:


مثال: دماسنج سانتی گراد دمای جسمی را 20 درجه سانتی گراد نشان می دهد. دماسنج فارنهایت دمای همین جسم را چند درجه نشان می دهد؟


برای تبدیل دما برحسب درجه سانتی گراد به مقیاس های دیگر از روابط زیر نیز می توان استفاده کرد:

دمای مطلق T = Ө + ۲۷۳

 فارنهایت F = ۱.۸c + ۳۲

رئومور R = ۰.۸c


گرمای نهان:
هنگام تغییر حالت دمای ماده تغییر نمی کند. در این حالت گرمایی که جسم می گیرد صرف تغییر حالت آن شده و در جسم ذخیره می شود این گرما را گرمای نهان می نامند. یکای اندازه گیری گرمای نهان ژول بر کیلوگرماست.

گرمای نهان ذوب :

 گرمایی که یک جسم جامد در نقطه ذوب می گیرد تا درهمان دما از حالت جامد به مایع تبدیل شود.

گرمای نهان انجماد:

 مقدار گرمایی که مایع در نقطه انجماد از دست می دهد تا در همان دما از مایع به جامد تبدیل شود.

گرمای نهان تبخیر :

 مقدار گرمایی که یک مایع در نقطه جوش خود می گیرد تا در همان دما به بخار تبدیل شود.

گرمای نهان میعان :

 مقدار گرمایی که بخار در دمای میعان از دست می دهد تا در همان دما به مایع تبدیل شود.

 

راههای انتقال گرما:

معمولا گرما از جای گرمتر به جای سردتر منتقل می شود. این گرما به سه روش شارش می یابد:
1- رسانش (رسانایی)
2- همرفت (کنوکسیون)
3- تابش

1- رسانش(رسانایی)
اگر سر یک میله فلزی را در کنار یک جسم گرم قرار دهیم، طرف دیگر میله گرم می شود، علت گرم شدن میله آن است که مولکولهای مجاور چشمه ی گرم، گرم شده و با دامنه ی بیش تری ارتعاش می یابند، در نتیجه هر مولکول به مولکول مجاور خود ضربه زده و دامنه ارتعاش آن را بیش تر می کند، به این ترتیب گرما در داخل جسم منتشر می شود.


نکته: مولکولهای گرم منتقل نمی شوند بلکه انرژی خود را به صورت انرژی جنبشی به مولکولهای سرد مجاور انتقال می دهند به عبارت دیگر در روش رسانایی ماده ثابت است و گرما از مولکولی به مولکول دیگر منتقل می شود.


-انتقال گرما به وسیله مولکولها، اتم ها و الکترون های آزاد یک جسم به مولکولها و اتم های دیگر آن جسم را رسانش گرما می گویند.


نکته: این روش در هر سه حالت جامد،مایع و گاز صورت می گیرد، اما انتقال گرما در جامدات بیش تر صورت می گیرد زیرا هر چه مولکول ها به هم نزدیک تر باشند، گرما با سرعت بیش تری در ماده منتقل می شود.


نکته: مولکولهای گرم منتقل نمی شوند بلکه انرژی خود را به صورت انرژی جنبشی به مولکولهای سرد مجاور انتقال می دهند به عبارت دیگر در روش رسانایی ماده ثابت است و گرما از مولکولی به مولکول دیگر منتقل می شود.


-انتقال گرما به وسیله مولکولها، اتم ها و الکترون های آزاد یک جسم به مولکولها و اتم های دیگر آن جسم را رسانش گرما می گویند.


نکته: این روش در هر سه حالت جامد،مایع و گاز صورت می گیرد، اما انتقال گرما در جامدات بیش تر صورت می گیرد زیرا هر چه مولکول ها به هم نزدیک تر باشند، گرما با سرعت بیش تری در ماده منتقل می شود.


توجه: فلزات رسانای خوبی هستند، زیرا در پدیده رسانش وجود الکترون های آزاد بسیار موثر است. فلزات دارای الکترون های آزاد بسیاز زیادی هستند. هنگامی که به نقطه ای از فلز گرما بدهیم الکترون های آزاد انرژی جنبشی بیش تری به دست می آورند و سریع تر حرکت می کنند، الکترون های سریع حامل انرژی، از قسمت های گرم فلز به قسمت های سرد آن پخش می شوند و در برخورد با مولکولهای فلز، انرژی جنبشی خود را به آن منتقل می کنند، با این فرایند انرژی گرمایی به سرعت از قسمت های گرم به قسمت های سرد منتقل می شود.

 

2- همرفت(کنوکسیون)
می خواهیم ظرف آبی را به وسیله چراغی گرم کنیم، اگر شعله به یک قسمت از ظرف آب نزدیک باشد، پس از مدتی مشاهده خواهیم کرد تمام آب به جوش می آید. علت این پدیده آن است که آب در مکانی که گرما می گیرد منبسط و سبک می شود و به طرف بالا حرکت می کند و آب سرد که سنگین تر است جای آن را می گیرد. این عمل آن قدر ادامه می یابد تا آنکه همه ی آب گرم شده و سرانجام به جوش می آید.
عملی که در آن انتقال گرما از راه انتقال مولکول ها صورت می گیرد، همرفتی یا جابه جایی نامیده می شود.
نکته: در مایعات و گازها(سیالات) که مولکول ها به آسانی می توانند جابه جا شوند، گرما از راه همرفتی منتقل می شود.
وجود جریان های گرم و سرد دریایی و انواع بادها در اثر جریان همرفتی به وجود می آید.
دستگاه آب گرم کن (شوفاژ)، دودکش کارخانه ها، لامپ های گازی بر اساس همین پدیده عمل می کنند.


توجه: در روش انتقال گرما به روش همرفت، خود ماده با جابه جا شدن گرما را منتقل می کند.
نکته: در جریان همرفتی شارش مایع یا گاز بر اثر تغییر چگالی است.

چگالی: چگالی یک ماده جرم یک سانتی متر مکعب از آن ماده است.

چگالی به دو عامل بستگی دارد:
1-
جرم جسم(m) چگالی با جرم رابطه مستقیم دارد. یکای اندازه گیری جرم Kg (کیلوگرم) یا گرم (g) است.
2- حجم جسم (V) چگالی با حجم جسم رابطه عکس دارد. یکای اندازه گیری حجم متر مکعب  () یا سانتی متر مکعب است.
چگالی
ρ از رابطه زیر بدست می آید.


یکای اندازه گیری چگالی :

الف) اگر جرم بر حسب Kg و حجم بر حسب باشد واحد چگالی (کیلو گرم بر متر مکعب )است.

ب) اگر جرم برحسب گرم(g) و حجم بر حسب سانتی مترمکعب   است.
برای تبدیل به  مقدار چگالی را بر 1000 تقسیم می کنیم.
برای تبدیل به مقدار چگالی را در 1000 ضرب می کنیم.


با توجه به مفهوم چگالی، علت جریان همرفتی را توضیح می دهیم،
وقتی ماده ای گرم می شود، منبسط می شود یعنی فاصله ی بین مولکولهای آن بیش تر شده در نتیجه چگالی آن کاهش می یابد در آن قسمت به طرف بالا حرکت می کند. در این هنگام مایعات اطراف جای آن را می گیرند و به تدریج تمام مایع گرم می شود.

شرایط لازم برای ایجاد جریان همرفتی :
1- ماده مایع یا گاز باشد.
2- بین دو نقطه اختلاف دما وجود داشته باشد یعنی قسمتی از آن گرم و قسمتی سرد باشد.
3- قسمت گرم با پایین تر از قسمت سرد باشد.

تابش: در انتقال گرما به روش تابش، نیازی به وجود ماده نیست، در این طریق گرما به صورت نور یا امواج الکترومغناطیسی از چشمه های داغ و ملتهب به اطراف گسیل می شود.
یک دسته از امواج الکترومغناطیسی، پرتوهای فرو سرخ هستند این پرتوها وقتی به جسمی بتابند گرمای زیادی تولید می کنند.
در تابش ماده منتقل نمی شود لذا نیازی به محیط مادی یا مولکولهایی که انرژی گرمایی را منتقل کنند نیست، یعنی می توانند در خلا نیز انجام گیرد.

چند نکته مهم:
1-
میزان تابش گرمایی یک جسم بستگی به دمای مطلق جسم و سطح خارجی آن دارد.
2- اجسامی که پرتوهای گرما را خوب تابش کنند، این پرتوها را به خوبی جذب می کنند.
3- اجسامی که سطح آن ها به رنگ تیره است یک تابش کننده بسیار خوب و همچنین جذب کننده بسیار خوبی نیز هستند.
4- اجسامی که سطح آن ها بسیار صیقلی است یک تابش کننده و جذب کننده بسیار ضعیف هستند، این اجسام بازتابنده خوب تابش های گرمایی هستند.

- تابش گرمایی از سطح همه اجسام و در هر دمایی صورت می گیرد و باعث کاهش دمای آن ها می شود.
- تابش گرمایی در سطح همه اشیا جذب شده و باعث افزایش دمای آن ها می شود.

نکته: انتقال گرما به طریق تابش بسیار سریع (با سرعت نور) صورت می گیرد اما در روش های رسانایی و همرفتی بسیار کند است.
سرعت انتقال گرما ازطریق همرفتی < سرعت انتقال گرما ازطریق رسانایی < انتقال سرعت گرما ازطریق تابش


گرم سازی: گرم سازی نیاز به منبع گرما دارد.

منابع گرما در اتاق:
1- بخاری نفتی، گازی، برقی

 این اجسام از دو طریق اتاق را گرم می کنند:
     
الف- ایجاد جریان همرفتی در هوای اتاق
      ب- انتقال گرما از طریق تابش

2- شوفاژ

 در شوفاژ دو جریان همرفتی به وجود می آید:
     
الف- جریان همرفتی در آب درون لوله های شوفاژ
      ب- جریان همرفتی در هوای اتاق.


منابع انرژی:
1- منابع انرژی تجدید پذیر(تمام نشدنی):

 این انرژی ها تا مدت ها در اختیار ما خواهند بود و این انرژی به زودی تمام نمی شود.
مانند انرژی خورشیدی، انرژی باد، آب های جاری ، انرژی گرمایی درون زمین، انرژی امواج جزر و مد

2- منابع انرژی تجدید ناپذیر (تمام شدنی):

این انرژی ها تنها یک بار قابلیت مصرف دارند و منابع آن ها محدود است و پس از مدتی از بین می روند.
سوخت فسیلی(نفت، گاز، زغال سنگ) و سوخت های هسته ای از این دسته منابع هستند.

با توجه به افزایش روز به روز جمعیت و کاهش روز افزون منابع انرژی و سوخت باید در مصرف انرژی صرفه جویی کنیم.

یکی راههای صرفه جویی، جلوگیری از اتلاف گرما در خانه، مدرسه و اداره هاست.
1-
پوشاندن درزهای در و پنجره


2- دو لایه کردن شیشه های پنجره


3- قراردادن لایه های عایق گرما در دیوارها وسقف و ...


سرد سازی:

 سردسازی معمولا با استفاده از تبخیر مایعات انجام می گیرد، زیرا هر گاه مایعی بخواهد تبخیر شود، برای تبخیر شدن، مقداری گرما از محیط اطراف خود جذب می کند و این سبب می شود که دمای محیط اطراف کاهش یابد.
در یخچال ها، سرد خانه ها، کولرهای گازی و آبی نیز تبخیر یک مایع سبب سرد شدن محیط داخل آن می شود.
در یخچال مایعی به نام فریون در داخل لوله هایی که در قسمت یخ ساز قرار دارد وارد می شود، این مایع گرما را از آن محیط می گیرد و بخار می شود، در نتیجه مواد داخل یخچال سرد می شوند.
بخار فریون از داخل لوله به محیط خارج از یخچال منتقل می شود، در این موقع به وسیله ی موتور الکتریکی یخچال فشرده می شود و گرمای خود را از دست می دهد و دوبار به مایع تبدیل می شود و به درون یخ ساز فرستاده می شود، این عمل آن قدر ادامه می یابد تا داخل یخچال کاملا سرد شود.


کولر گازی نیز مانند یخچال عمل می کنند، قسمت سرد کولر داخل اتاق و قسمت گرم آن ها در هوای بیرون اتاق است. هنگامی که کولر کار می کند از هوای درون اتاق گرما گرفته و به هوای بیرون اتاق داده می شود بنابر این هوای اتاق چشمه سرد و هوای بیرون چشمه گرم است.

کاروگرما:
یکی از موارد مهم استفاده از گرما، استفاده از آن در صنعت و به حرکت در آوردن انواع ماشین هاست. این کار از طریق تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی انجام می شود.
دستگاهی که انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند، ماشین گرمایی نام دارد.

انواع ماشین های گرمایی:
1- درون سوز
   الف) توربینی
    ب) پیستونی
        - بنزینی: گاز داغ را بر اثر انفجار تولید می کنند. این گاز خارج نمی شود بلکه یک پیستون را به حرکت در می آورد.
       - دیزلی: شبیه موتورهای بنزینی است، در موتورهای دیزلی ابتدا به جای مخلوط سوخت و هوا، تنها هوا وارد سیلندر می شود، در این حالت هوا کاملا متراکم شده و دمای آن بالا می رود. سپس سوخت به داخل آن پاشیده می شود، چون دمای هوا بسیار بالا است برای آتش زدن سوخت نیاز به شمع جرقه زن نیست، در این موتورها، بخشی از گرمای حاصل از انرژی سوخت، همراه دودهای خارجی به محیط داده می شود بنابر این نمی توان در موتورهای دیزلی همه گرمای حاصل از سوخت را به کار تبدیل کرد.

2- برون سوز:

 در این ماشین ها، چون گرما توسط کوره(یعنی بیرون دستگاه) به آب داده می شود این نوع ماشین ها را برون سوز می نامند. ماشین های بخار از این دسته هستند.
ماشین بخار برای اولین بار توسط دانشمندی به نام جیمز وات اختراع شد، در این ماشین، آب در یک مخزن در بسته (شبیه دیگ زودپز) به جوش می آید و مقداری بخار با فشار زیاد تولید می کنند. این بخار از طریق یک لوله به یک استوانه(سیلندر) منتقل می شود و پیستون را به حرکت در می آورد وقتی پیستون تا انتهای استوانه به عقب رفت، جهت ورود بخار به استوانه عوض می شود و در جهت مخالف به پیستون فشار می آورد تا به طرف جلو حرکت کند.


نکته: موتور همه اتومبیل ها، هواپیماهای ملخ دار، کشتی ها، قطارها و نیروگاههای کوچک درون سوز است.
در موتورهای درون سوز بخشی از انرژی حاصل از سوخت، سبب حرکت پیستون می شود، این حرکت از طریق دسته و میل لنگ به حرکت دورانی تبدیل می شود، با انتقال این حرکت دورانی به چرخ های اتومبیل حرکت می کند. بخش دیگر انرژی از طریق رادیاتور، موتور را سرد می کند و لوله خروجی (اگزوز) مستقیما به هوا داده می شود.

مراحل مختلف کار ماشین های گرمایی(موتور اتومبیل):
1- مرحله ی مکش: ابتدا مخلوطی از سوخت و هوا از طریق دریچه ی ورودی وارد یک محفظه ی استوانه ای شکل به نام سیلندر می شود. وقتی پیستون به پایین وضعیت خود رسید، این دریچه بسته می شود و مخلوط بنزین و هوا در داخل استوانه حبس می شود.


2- مرحله ی تراکم: پیستون بالا می آید، مخلوط را متراکم می کند و به حجم اولیه می رساند. در این وضعیت، دمای مخلوط بسیار بالا می رود.


3- مرحله آتش گرفتن: هنگامی که پیستون به بالاترین وضعیت خود رسید شمع اتومبیل جرقه می زند و مخلوط آتش می گیرد دما و فشار آن تا مقدار زیادی بالا می رود، در این مرحله در اثر فشار زیاد، دستگاه منبسط می شود و پیستون را به طرف پایین می راند.


4- مرحله خروج دود: در این مرحله بخشی از دود حاصل از سوخت مخلوط بنزین و هوا از طریق دریچه ی خروج دود که در این مرحله باز می شود، خارج می گردد و سپس پیستون بالا آمده و بقیه ی دود حاصل از سوختن مخلوط را به بیرون می راند، به این ترتیب مقدار زیادی گرما به هوای بیرون داده می شود.


موتور جت:
موتورهای جت توان فوق العاده زیادی دارند و در هواپیما به کار می روند.
موتور جت پیستون ندارد، این موتورها هوا را می مکند، آن را متراکم می کنند سپس هوا با سوخت مخلوط می گردد.
مخلوط سوخت و هوا در محفظه ی احتراق مشتعل شده و می سوزد و مقدار زیادی گاز (گازهای داغ) با فشار زیاد تولید می کنند.
این گاز از عقب موتور جت خارج می شود و در مسیر خود، چرخ پرده دار بزرگی به نام توربین را که در سر راه قرار دارد به حرکت در می آورد.


موتور موشک:

 موتورهای موشک نوعی موتور جت است.


ه بادکنک مقابل توجه کنید:

 اگر شما بادکنک را باد وسپس رها کنید بادکنک در اثر خروج باد از دهانه آن حرکت می کند.
هوا در یک جهت از بادکنک خارج می شود و باعث می شود بادکنک در جهت مخالف رانده شود.
موتورهای موشکی و جت نیز به همین ترتیب کار می کنند.
در این موتورها سوخت با اکسیژن مخلوط می شود و در محفظه ی احتراق می سوزد در نتیجه مقدار زیادی گاز داغ با سرعت زیاد از انتهای موشک خارج می شود و باعث حرکت موشک در جهت مخالف گازهای داغ به طرف جلو می شود.


موشک ها می توانند اکسیژن مورد نیازشان رابا خود حمل کنند، بنابر این در خارج از جو زمین و در مسافرت های فضایی مورد استفاده قرار می گیرند.

جمعه 18 فروردین‌ماه سال 1391 :: 10:13 ب.ظ ::  نویسنده : شاحسینی