خلاصه درس فصل ۴ فیزیک دهم؛ درسنامه و نکات مهم

دماسنج چه چیزی را می‌سنجد؟

برای اینکه بفهمیم بدن کسی تب دارد یا نه، به عدد دماسنج نیاز داریم؛ احساس گرمی با دست کافی نیست. دما کمّیتی است که میزان سردی و گرمی جسم را مشخص می‌کند.

اما دماسنج چگونه دما را به یک عدد تبدیل می‌کند؟ با اندازه‌گیری ویژگی‌ای که با سرد و گرم شدن تغییر می‌کند. به این ویژگی، کمّیت دماسنجی می‌گوییم؛ یعنی چیزی که تغییرش را اندازه می‌گیریم تا دما را تعیین کنیم.

مثلاً در دماسنج الکلی، وقتی دما افزایش می‌یابد، الکل منبسط می‌شود و سطح آن در لوله بالاتر می‌رود. با کاهش دما، سطح الکل پایین می‌آید. پس در این دماسنج، ارتفاع مایع در لوله کمّیت دماسنجی است، نه خود دما.

این دو را از هم جدا کن: چیزی که می‌خواهیم بدانیم «دما» است؛ چیزی که برای دانستن آن اندازه می‌گیریم، «کمّیت دماسنجی» است.

ساختن مقیاس سلسیوس

فرض کن لولهٔ یک دماسنج را ساخته‌ای، اما هنوز هیچ عددی روی آن نیست. برای اینکه همه بتوانند دمای یکسانی از آن بخوانند، علامت‌ها را کجا می‌گذاری؟ به دو نقطهٔ ثابت و تکرارپذیر نیاز داریم.

در مقیاس سلسیوس، از آب خالص در فشار جوّ متعارف، یعنی $1\,\mathrm{atm}$، کمک می‌گیریم:

• جای مایع دماسنج هنگام آغاز یخ‌زدن آب را با $0\,\mathrm{^\circ C}$ مشخص می‌کنیم.
• جای آن هنگام جوشیدن آب را با $100\,\mathrm{^\circ C}$ مشخص می‌کنیم.

سپس فاصلهٔ میان این دو علامت را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم؛ هر قسمت نشان‌دهندهٔ $1\,\mathrm{^\circ C}$ است. درست مثل ساختن خط‌کش، فاصله‌های مساوی به ما امکان می‌دهند مقدارها را مقایسه کنیم.

مثلاً وقتی دماسنج اتاق $20\,\mathrm{^\circ C}$ نشان می‌دهد، عدد آن بر پایهٔ همین مقیاس‌بندی معنا پیدا می‌کند. خالص بودن آب و فشار مشخص مهم‌اند؛ نمی‌توان آب شور یا آب در حال جوش در هر ارتفاعی را بدون توجه به شرایط، مبنای این علامت‌گذاری قرار داد.

کلوین و صفر مطلق

آیا دمای منفی یعنی سردتر از هر دمای ممکنی؟ نه؛ منفی‌بودن عدد به مبدأ مقیاس بستگی دارد. کلوین مقیاسی است که صفر آن، کمترین دمای ممکن یا «صفر مطلق» است. این دما برابر با $-273.15\,\mathrm{^\circ C}$ است.

دمای کلوین را با $T$ و دمای سلسیوس را با $\theta$ نشان می‌دهیم. برای تبدیل سلسیوس به کلوین داریم:

$T=\theta+273.15$

در محاسبه‌های این کتاب، معمولاً از مقدار تقریبی $273$ به‌جای $273.15$ استفاده می‌کنیم. یکای کلوین را با $\mathrm{K}$ می‌نویسیم، بدون علامت درجه.

نکتهٔ مهم این است که اندازهٔ هر پله در این دو مقیاس یکسان است؛ فقط نقطهٔ شروع فرق دارد. مثلاً وقتی آب داخل کتری گرم می‌شود، مقدار افزایش دمایش در کلوین و سلسیوس یکسان است؛ هرچند عدد دما در این دو مقیاس متفاوت است. هنگام کم‌کردن دمای نهایی و اولیه، عدد ثابتِ تبدیل حذف می‌شود؛ پس:

$\Delta T=\Delta\theta$

بنابراین، تبدیلِ «خود دما» را با تبدیلِ «تغییر دما» اشتباه نکن.

یک دما، سه مقیاس

فرض کن دمای یک شهر را در دو برنامۀ هواشناسی می‌بینی؛ یکی سلسیوس را به کار می‌برد و دیگری فارنهایت را. متفاوت بودن عددها لزوماً نشانۀ اشتباه نیست؛ هر دو می‌توانند یک دما را با دو مقیاس متفاوت نشان دهند.

اگر دمای سلسیوس را با $\theta$ و دمای فارنهایت را با $F$ نشان دهیم، رابطۀ تبدیل چنین است:

$F=\frac{9}{5}\theta+32$

برای تبدیل، اول دمای سلسیوس را در $\frac{9}{5}$ ضرب کن، سپس $32$ را اضافه کن. این دو کار دلیل دارند: اندازۀ هر درجۀ فارنهایت با هر درجۀ سلسیوس برابر نیست و عددِ مبدأ دو مقیاس هم فرق دارد. پس فقط عوض کردن نام یکا کافی نیست!

اگر بخواهی برعکس عمل کنی و فارنهایت را به سلسیوس برگردانی، ترتیب کارها هم برعکس می‌شود: ابتدا $32$ را کم کن، سپس حاصل را در $\frac{5}{9}$ ضرب کن. یادت باشد تغییر مقیاس، خودِ دمای جسم را تغییر نمی‌دهد.

دماسنج‌های معیار و ترموکوپل

برای اندازه‌گیری علمی در گستره‌های مختلف دما، دانشمندان سه نوع دماسنج معیار را پذیرفته‌اند: گازی، مقاومت پلاتینی و تف‌سنج یا پیرومتر.

ترموکوپل هم دماسنج مهمی است، اما به‌دلیل دقت کمتر نسبت به این سه نوع، دیگر در گروه دماسنج‌های معیار قرار ندارد. البته این به معنی بی‌فایده‌بودن آن نیست؛ ترموکوپل هنوز در صنعت و آزمایشگاه بسیار کاربرد دارد.

ترموکوپل از دو سیم رسانای غیرهم‌جنس ساخته می‌شود. یک محل اتصال در جایی قرار می‌گیرد که می‌خواهیم دمایش را بسنجیم و طرف دیگر در دمای مرجع، مانند دمای ذوب یخ، نگه داشته می‌شود. با تغییر دمای محل اندازه‌گیری، ولتاژ تغییر می‌کند. پس کمیت دماسنجی ترموکوپل، ولتاژ است؛ با مشخص‌کردن ولتاژ متناظر با دماهای معلوم، می‌توان از روی ولتاژ به دما رسید.

چرا برای دستگاه‌های گرمایشی و سرمایشی مناسب است؟ محل اتصال سیم‌ها جرم کمی دارد و سریع به دمای محیط مورد اندازه‌گیری می‌رسد. همچنین می‌توان آن را در مدارهای الکترونیکی به کار برد.

گرم‌تر، بلندتر؛ اما چقدر؟

چرا در اتصال بخش‌های یک پل، جا برای حرکت می‌گذارند؟ چون بیشتر جامدها وقتی گرم می‌شوند، بلندتر می‌شوند. اگر راه این افزایش طول بسته باشد، ممکن است سازه آسیب ببیند.

برای تغییرات دمایی نسبتاً کوچک، تغییر طول را این‌طور حساب می‌کنیم:

$\Delta L=\alpha L_1\Delta T$

• $L_1$: طول اولیهٔ جسم
• $\Delta T=T_2-T_1$: تغییر دما، نه دمای نهایی
• $\alpha$: ضریب انبساط طولی که به جنس ماده بستگی دارد
• $\Delta L=L_2-L_1$: تغییر طول، نه طول نهایی

پس میلهٔ بلندتر، با همان جنس و همان افزایش دما، بیشتر بلند می‌شود. همچنین دو میلهٔ هم‌اندازه از جنس‌های متفاوت، لزوماً به یک اندازه افزایش طول ندارند؛ هرکدام $\alpha$ بزرگ‌تری داشته باشد، بیشتر منبسط می‌شود.

اگر طول اولیه را برحسب $\mathrm{m}$ وارد کنی، تغییر طول هم برحسب $\mathrm{m}$ به دست می‌آید. تغییر دما می‌تواند برحسب $^\circ\mathrm{C}$ یا $\mathrm{K}$ باشد؛ یکای ضریب باید با آن هماهنگ باشد.

حواست باشد: برای طول نهایی باید بنویسی $L_2=L_1+\Delta L$. هنگام سردشدن نیز $\Delta T$ منفی است و این رابطه برای بیشتر جامدها کاهش طول را نشان می‌دهد.

خم‌شدنِ یک نوار، کنترل دما

وقتی یک جامد گرم می‌شود، اتم‌هایش درشت‌تر نمی‌شوند؛ بلکه فاصلهٔ متوسط بین آن‌ها افزایش می‌یابد و جسم منبسط می‌شود. می‌توان اتم‌های جامد را مثل ذراتی تصور کرد که با فنرهایی به هم متصل‌اند و پیرامون جایگاه تعادلشان نوسان می‌کنند.

حالا دو تیغهٔ فلزی با جنس متفاوت را تصور کن که در سراسر طولشان به هم متصل شده‌اند. هنگام گرم‌شدن، تیغه‌ای که ضریب انبساط طولی بیشتری دارد، می‌خواهد بیشتر بلند شود؛ اما اتصال دو تیغه اجازه نمی‌دهد مستقل از هم تغییر طول بدهند. در نتیجه نوار خم می‌شود: تیغهٔ با ضریب انبساط بیشتر، در سمت بیرونی خم قرار می‌گیرد؛ چون مسیر بیرونی بلندتر است.

این خم‌شدن می‌تواند عقربهٔ یک دماسنج را جابه‌جا کند یا کلید یک دماپا (ترموستات) را باز و بسته کند. مثلاً در یک دماپای سادهٔ کتری برقی، گرم‌شدن نوار باعث خم‌شدن و قطع مدار می‌شود. با سردشدن، نوار به وضعیت قبلی برمی‌گردد و مدار دوباره وصل می‌شود.

ورقه و حفره با هم بزرگ می‌شوند

تصور کن روی یک ورقهٔ فلزی، سوراخی دایره‌ای ساخته‌ایم. اگر ورقه را یکنواخت گرم کنیم، سوراخ تنگ‌تر می‌شود یا گشادتر؟ شاید فکر کنی فلز به داخل سوراخ پیشروی می‌کند؛ اما حفره هم همراه ورقه بزرگ‌تر می‌شود.

برای فهمیدن دلیلش، فرض کن قطعهٔ بریده‌شده را دوباره در سوراخ گذاشته‌ای. با گرم‌شدن، همهٔ اندازه‌های ورقه و آن قطعه به تناسب افزایش می‌یابند. حالا اگر قطعه را برداری، جای آن هم بزرگ‌تر از قبل است؛ پس قطر و مساحت حفره افزایش یافته‌اند.

در یک ورقه، هم طول و هم عرض افزایش می‌یابد؛ بنابراین تغییر مساحت را با تقریب مناسب از این رابطه حساب می‌کنیم:

$\Delta A=2\alpha A_1\Delta T$

در این رابطه، $A_1$ مساحت اولیه و $\alpha$ همان ضریب انبساط طولی است. یکای $\Delta A$ باید با یکای $A_1$ یکسان باشد؛ مثلاً هر دو $\mathrm{cm^2}$ باشند. یادت باشد خروجی رابطه، افزایش مساحت است، نه مساحت نهایی؛ برای مساحت نهایی داریم: $A_2=A_1+\Delta A$.

افزایش حجم، سرریز و چگالی

اگر ظرفی را تا لبه از مایع پر کنیم و گرم کنیم، آیا حتماً سرریز می‌شود؟ هم مایع منبسط می‌شود و هم گنجایش ظرف افزایش می‌یابد؛ باید این دو افزایش را مقایسه کنیم.

تغییر حجم از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

$\Delta V=\beta V_1\Delta T$

در این رابطه، $V_1$ حجم اولیه و $\beta$ ضریب انبساط حجمی ماده است. یکای $\beta$، $\mathrm{K^{-1}}$ یا $({}^\circ\mathrm{C})^{-1}$ است و یکای $\Delta V$ باید با $V_1$ یکسان باشد. حجم نهایی هم برابر است با $V_2=V_1+\Delta V$.

برای بیشتر جامدها، $\beta\approx3\alpha$ است. مایع‌ها شکل ثابتی ندارند، پس انبساطشان را فقط به‌صورت حجمی بررسی می‌کنیم.

در ظرفِ پُر، اگر افزایش حجم مایع بیشتر از افزایش گنجایش ظرف باشد، مایع سرریز می‌شود. حجم سرریز برابر اختلاف این دو افزایش است، نه تمام افزایش حجم مایع.

حالا چگالی چه می‌شود؟ تا وقتی ماده‌ای از جسم خارج نشده، گرم‌شدن جرم را تغییر نمی‌دهد. بنابراین با افزایش حجم، چگالیِ $\rho=m/V$ کاهش می‌یابد:

$\rho_2=\dfrac{\rho_1}{1+\beta\Delta T}$

آب؛ استثنایی برای زندگی

حالا به معمای اول درس برگردیم: چرا سطح دریاچه یخ می‌زند، ولی زیر آن آبِ مایع باقی می‌ماند؟

آب شیرین در دمای $4^\circ\mathrm{C}$ بیشترین چگالی را دارد؛ یعنی حجم مقدار معینی از آن در این دما کمترین است. بالاتر از این دما، سردشدن آب معمولاً حجمش را کم و چگالی‌اش را زیاد می‌کند. اما وقتی آب از $4^\circ\mathrm{C}$ تا $0^\circ\mathrm{C}$ سرد می‌شود، رفتارش برعکس است: حجمش بیشتر و چگالی‌اش کمتر می‌شود، بدون اینکه جرمش تغییر کند.

در یک دریاچه، آب سطح هنگام سردشدن تا $4^\circ\mathrm{C}$ چگال‌تر می‌شود و پایین می‌رود. ولی با سردشدن بیشتر، چگالی آب سطح کاهش می‌یابد؛ پس دیگر به زیر آبِ چگال‌تر فرو نمی‌رود و نزدیک سطح می‌ماند تا یخ بزند. به همین دلیل، زیر سطح یخ‌زده هنوز آب مایع وجود دارد و امکان زندگی برای آبزیان فراهم می‌ماند.

پس جملهٔ «سردشدن همیشه چگالی را بیشتر می‌کند» درست نیست؛ بازهٔ دما مهم است.

گرما؛ انرژی در راه

یک لیوان آب سرد را روی میز بگذار. آب کم‌کم گرم می‌شود؛ نه چون «سرما از آن بیرون می‌رود»، بلکه چون از محیط گرم‌تر انرژی می‌گیرد. برعکس، آب داغ به محیط خنک‌تر انرژی می‌دهد و سرد می‌شود.

گرما، انرژی‌ای است که به علت اختلاف دما منتقل می‌شود. جهت این انتقال از جسم گرم‌تر به جسم سردتر است. پس دما و گرما یکی نیستند: دما نشان می‌دهد جسم چقدر گرم یا سرد است، اما گرما نامِ انرژی در حال انتقال است، نه چیزی ذخیره‌شده در جسم. به همین دلیل، به‌جای «گرمای موجود در آب»، از «انرژی درونی آب» حرف می‌زنیم.

وقتی آب، لیوان و هوای اطراف هم‌دما شوند، تعادل گرمایی برقرار می‌شود و انتقال خالص گرما میان آن‌ها متوقف می‌شود؛ این به معنی توقف حرکت ذرات نیست.

گرما را با $Q$ نشان می‌دهیم و چون نوعی انتقال انرژی است، یکای آن ژول، یعنی $\mathrm{J}$، است.

ظرفیت گرمایی یک جسم

یک فنجان آب و یک پارچ پُر آب را تصور کن که دمای اولیهٔ یکسانی دارند. برای اینکه دمای هر دو به یک اندازه بالا برود، پارچ آب به گرمای بیشتری نیاز دارد. پس فقط مقدار افزایش دما مهم نیست؛ ویژگی‌های خود جسم هم مهم‌اند.

ظرفیت گرمایی را با $C$ نشان می‌دهیم؛ این کمیت می‌گوید برای افزایش دمای یک جسم به اندازهٔ $1\,\mathrm{K}$، چه مقدار گرما لازم است:

$Q=C\Delta T$

در این رابطه، $Q$ گرمای مبادله‌شده و $\Delta T$ تغییر دماست. یکای ظرفیت گرمایی $\mathrm{J/K}$ است. ظرفیت گرمایی به جرم و جنس جسم بستگی دارد؛ برای یک جسم مشخص، هرچه افزایش دمای بیشتری بخواهیم، باید گرمای بیشتری بدهیم.

حواست باشد: «ظرفیت» اینجا به معنی گنجایش یک مخزن نیست! ظرفیت گرمایی، سقفی برای گرفتن گرما تعیین نمی‌کند؛ بلکه مقدار گرمای لازم برای هر واحد تغییر دما را نشان می‌دهد.

گرمای ویژه و نقش آب

دو جسم با جرم برابر را در نظر بگیر؛ یکی آب و دیگری مس. آیا برای افزایش یکسان دمای آن‌ها، گرمای یکسانی لازم است؟ نه؛ جنس ماده هم مهم است.

گرمای ویژه، ظرفیت گرماییِ واحد جرم ماده است:

$c=\frac{C}{m}$

پس برای گرم‌کردن یا سردکردن یک جسم، بدون تغییر حالت، داریم:

$Q=mc\Delta T$

در این رابطه، $m$ جرم برحسب $\mathrm{kg}$، $c$ گرمای ویژه برحسب $\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ و $\Delta T$ تغییر دماست. اندازهٔ تغییر دما برحسب کلوین و درجهٔ سلسیوس برابر است. گرمای ویژه به جنس ماده و دمای آن بستگی دارد؛ در مسائل این درس آن را ثابت می‌گیریم.

مثلاً گرمای ویژهٔ آب $4187\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}$ است؛ یعنی افزایش دمای $1\,\mathrm{kg}$ آب به اندازهٔ $1\,\mathrm{K}$، به $4187\,\mathrm{J}$ گرما نیاز دارد.

آب با تغییر دمای نسبتاً کم، گرمای زیادی مبادله می‌کند. در شوفاژ، آب به هوای اتاق گرما می‌دهد؛ در خودرو، از موتور گرما می‌گیرد و آن را به رادیاتور می‌برد. پس آب می‌تواند هم در گرم‌کردن و هم در خنک‌کردن کاربرد داشته باشد.

دمای تعادل و حساب انرژی

وقتی آب داغ را در لیوانی سردتر می‌ریزی، آب انرژی از دست می‌دهد و لیوان انرژی می‌گیرد تا هم‌دما شوند. این دمای مشترک، دمای تعادل است؛ اما لزوماً میانگین سادهٔ دو دمای اولیه نیست.

اگر مجموعه با محیط گرما مبادله نکند، انرژیِ ازدست‌رفتهٔ بخش گرم برابر انرژیِ گرفته‌شدهٔ بخش سرد است. برای حساب‌کردن، همیشه تغییر دما را به یک ترتیب می‌نویسیم:

$\Delta T=T_f-T_i$

پس در رابطهٔ $Q=mc\Delta T$، برای جسمی که گرم می‌شود $Q>0$ و برای جسمی که سرد می‌شود $Q<0$ است. منفی بودن گرما یعنی انرژی از جسم خارج شده است، نه اینکه محاسبه اشتباه باشد!

دستور کار: برای هر جسم، گرمای مبادله‌شده را بنویس و سپس جمع آن‌ها را صفر قرار بده:

$Q_1+Q_2=0$

برای دو جسم، با دمای نهایی مشترک، داریم:

$m_1c_1(T_f-T_{i1})+m_2c_2(T_f-T_{i2})=0$

با حل این معادله، دمای تعادل پیدا می‌شود. اگر فقط همین دو جسم گرما مبادله کنند، این دما باید بین دو دمای اولیه باشد؛ این یک راه سریع برای بررسی معقول‌بودن پاسخ است.

گرماسنج؛ اندازه‌گیری با دما

چطور می‌توان گرمای ویژهٔ یک فلز ناشناخته را پیدا کرد؟ گرماسنج ظرفی درپوش‌دار و عایق است که تبادل گرما با محیط را بسیار کم می‌کند؛ اما خودِ ظرف هم می‌تواند گرما بگیرد یا بدهد!

ابتدا مقدار معینی آب در آن می‌ریزیم و صبر می‌کنیم آب و ظرف هم‌دما شوند. سپس جسم داغی با جرم و دمای معلوم را داخل آب می‌گذاریم، با همزن آب را مخلوط می‌کنیم و دمای تعادل را می‌خوانیم. این آزمایش با جسم داغ باید زیر نظر دبیر انجام شود.

با چشم‌پوشی از تبادل گرما با محیط و اثر دماسنج و همزن، حساب انرژی چنین است:

$Q_{\text{جسم}}+Q_{\text{آب}}+Q_{\text{ظرف}}=0$

برای آب و جسم از $Q=mc\Delta T$ استفاده می‌کنیم. اگر ظرفیت گرمایی ظرف معلوم باشد، سهم آن برابر $Q_{\text{ظرف}}=C_{\text{ظرف}}\Delta T_{\text{ظرف}}$ است. در نتیجه، گرمای ویژهٔ مجهول را می‌توان از همین معادله یافت.

کاربرد روزمره: برای تعیین انرژی مواد غذایی نیز از نوعی گرماسنج استفاده می‌کنند؛ ماده در محفظه‌ای مخصوص می‌سوزد و افزایش دمای آب، راهی برای اندازه‌گیری انرژی آزادشده است.

از تغییر حالت تا نقطهٔ ذوب

وقتی یخ در لیوان آب کوچک‌تر می‌شود، ماده از بین نمی‌رود؛ فقط از حالت جامد به مایع می‌رود. به این جابه‌جایی میان حالت‌های جامد، مایع و بخار، تغییر حالت می‌گوییم. نام‌ها را با جهت تبدیل به خاطر بسپار:

• جامد به مایع: ذوب؛ مسیر برگشت: انجماد.
• مایع به بخار: تبخیر؛ مسیر برگشت: میعان.
• جامد به بخار، بدون مایع شدن: تصعید؛ مسیر برگشت: چگالش بخار به جامد.

مثلاً نفتالین می‌تواند مستقیم به بخار تبدیل شود؛ اما برفکِ حاصل از تبدیل مستقیم بخار آب به یخ، مسیر وارون را طی می‌کند.

آیا هر جامدی در یک دمای مشخص ذوب می‌شود؟ اگر جامد، خالص و بلورین باشد و فشار ثابت بماند، هنگام گرم‌کردن به نقطهٔ ذوب می‌رسد. تا پایان ذوب، دمایش ثابت می‌ماند؛ پس کوچک‌شدن یخ لزوماً به معنای افزایش دما نیست. نقطهٔ ذوب به جنس ماده و فشار بستگی دارد.

در مقابل، شیشهٔ بی‌شکل یا قیر ناخالص، نقطهٔ ذوب کاملاً مشخصی ندارند؛ ابتدا نرم و خمیری می‌شوند و در گستره‌ای از دما به‌تدریج ذوب می‌شوند.

گرمای نهان ذوب و انجماد

یخِ رسیده به نقطهٔ ذوب، هنوز برای آب شدن به گرما نیاز دارد! این انرژی صرف تغییر آرایش مولکول‌ها می‌شود، نه افزایش دما؛ به همین دلیل آن را گرمای نهان می‌نامیم.

گرمای نهان ویژهٔ ذوب، با نماد $L_F$، نشان می‌دهد برای ذوب هر $1\,\mathrm{kg}$ از یک ماده در نقطهٔ ذوب، چقدر گرما لازم است. یکای آن $\mathrm{J/kg}$ است و مقدارش به جنس ماده بستگی دارد. برای جرم $m$ داریم:

• ذوب: $Q=+mL_F$؛ جسم گرما می‌گیرد.
• انجماد: $Q=-mL_F$؛ جسم گرما از دست می‌دهد.

علامت را از دید خود مادهٔ در حال تغییر حالت تعیین می‌کنیم. مثلاً آب هنگام یخ زدن، به محیط گرما می‌دهد؛ پس گرمای دریافتیِ آب منفی است.

اگر جسم هنوز به نقطهٔ ذوب نرسیده باشد چه؟ مثلاً برای ذوب یخِ زیر صفر، ابتدا باید دمای یخ را تا نقطهٔ ذوب بالا ببریم؛ گرمای این مرحله از $Q_1=mc\Delta\theta$ به دست می‌آید. سپس گرمای ذوب را با $Q_2=mL_F$ حساب می‌کنیم. گرمای کل، مجموع این دو است؛ رابطهٔ گرمای نهان به‌تنهایی برای هر دو مرحله کافی نیست.

تبخیر سطحی یا جوشیدن؟

لباس خیس روی بند، بدون اینکه آبِ آن بجوشد، خشک می‌شود. پس برای تبدیل مایع به بخار، جوشیدن لازم نیست!

پیش از رسیدن به نقطهٔ جوش، بعضی مولکول‌های پرانرژی‌تر می‌توانند از سطح مایع فرار کنند؛ این فرایند «تبخیر سطحی» است. افزایش دما و بیشتر شدن مساحت سطحِ در تماس با هوا، آهنگ آن را افزایش می‌دهد. به همین دلیل، لباسِ پهن‌شده معمولاً زودتر از لباسِ جمع‌شده خشک می‌شود.

تبخیر به انرژی نیاز دارد و می‌تواند این انرژی را از محیط اطراف بگیرد. مثلاً عرق با گرفتن گرما از پوست تبخیر می‌شود و بدن را خنک می‌کند؛ پس فقط خیس شدن پوست عامل خنک‌شدن نیست.

اما در جوشیدن، حباب‌های بخار درون مایع تشکیل می‌شوند و به سطح می‌رسند؛ بنابراین سراسر مایع در تبخیر شرکت می‌کند. هنگام جوشیدنِ مایع خالص در فشار ثابت، با ادامهٔ گرمادهی، دما ثابت می‌ماند و گرما صرف تغییر حالت می‌شود. مثلاً آب خالص در فشار $1\,\mathrm{atm}$ در دمای $100^\circ\mathrm{C}$ می‌جوشد.

انرژی تبخیر و اثر فشار

برای تبدیل مایع به بخار باید به آن گرما بدهیم، حتی اگر دمایش ثابت بماند. گرمای لازم از رابطهٔ $Q=+mL_{\mathrm{V}}$ به دست می‌آید؛ در آن $m$ جرم مایعِ بخارشده و $L_{\mathrm{V}}$ گرمای نهان تبخیر است. علامت مثبت یعنی مایع گرما می‌گیرد. یکای $L_{\mathrm{V}}$، $\mathrm{J/kg}$ است و مقدارش به جنس مایع و دمای آن بستگی دارد؛ پس باید مقدار مناسبِ همان دما را انتخاب کنیم.

اگر توان گرمادهیِ رسیده به مایع، یعنی $P$، ثابت باشد، زمان تبخیر برابر است با:

$\Delta t=\dfrac{Q}{P}$

دقت کن: اگر مایع هنوز به نقطهٔ جوش نرسیده باشد، برای محاسبهٔ کل انرژی باید گرمای گرم‌شدن آن را هم جداگانه در نظر بگیریم.

نقطهٔ جوش هم همیشه یک عدد ثابت نیست: افزایش فشار، نقطهٔ جوش را بالا می‌برد. برای همین در زودپز، آب در دمای بالاتری می‌جوشد و غذا زودتر می‌پزد. در ارتفاعات، فشار کمتر است و آب در دمای پایین‌تری به جوش می‌آید.

میعان؛ بازگشت گرما به محیط

قطره‌های روی سطح بیرونی لیوان آب سرد از کجا می‌آیند؟ معمولاً آب از دیوارهٔ لیوان عبور نکرده است؛ بخار آبِ هوا کنار سطح سرد لیوان به مایع تبدیل می‌شود. این تغییر حالت را میعان می‌نامیم؛ یعنی مسیر وارون تبخیر.

در تبخیر، مایع برای تبدیل شدن به بخار گرما می‌گیرد؛ در میعان، بخار به محیط گرما پس می‌دهد. برای جرم $m$ از بخار داریم:

$Q=-mL_{\mathrm{V}}$

در این رابطه، $Q$ گرمای مبادله‌شدهٔ بخار است. علامت منفی یعنی انرژی به شکل گرما از بخار خارج می‌شود، نه اینکه دما منفی باشد! محیطی مثل شیشهٔ سرد پنجره این گرما را دریافت می‌کند؛ پس گرمای دریافتی آن مثبت است.

برای انتخاب $L_{\mathrm{V}}$ باید به جنس ماده و دمای میعان توجه کنی. همچنین، در تغییر حالت در دمای ثابت، ثابت ماندن دما به معنی ثابت ماندن انرژی درونی نیست؛ بخار هنگام میعان انرژی از دست می‌دهد.

گرما به کدام سو می‌رود؟

یک لیوان چای داغ را روی میز تصور کن. پس از مدتی، چای خنک‌تر می‌شود و هوای اطراف و خود لیوان گرم‌تر می‌شوند. چرا؟ چون اختلاف دما، عامل انتقال گرماست: انرژی از چای که دمای بالاتری دارد، به محیط با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود.

در زبان روزمره می‌گوییم «سرما وارد چای شد»، اما در فیزیک توضیح دقیق این است که چای گرما از دست داد. پس برای تشخیص جهت انتقال گرما، دمای دو طرف را مقایسه کن، نه اندازه یا مقدار مادۀ آن‌ها را.

این انتقال تا چه زمانی ادامه دارد؟ تا وقتی دو جسم هم‌دما شوند. به این وضعیت تعادل گرمایی می‌گوییم؛ در آن، دیگر گرمایی به‌طور خالص بین دو جسم منتقل نمی‌شود. هم‌دما شدن الزاماً به معنی سرد شدن هر دو نیست: جسم سردتر گرم می‌شود و جسم گرم‌تر سرد می‌شود تا به دمای مشترک برسند.

رسانش؛ انتقال بدون جریان ماده

قاشق فلزی را در سوپ داغ بگذاری، پس از مدتی دسته‌اش هم گرم می‌شود؛ حتی اگر دسته بیرون از سوپ باشد. انرژی چگونه به دسته می‌رسد؟

در بخش گرم قاشق، اتم‌ها شدیدتر ارتعاش می‌کنند و با اثر گذاشتن بر اتم‌های همسایه، انرژی را در طول قاشق منتقل می‌کنند. این روش رسانش گرمایی است. اتم‌ها همراه گرما از سر قاشق تا دسته جریان پیدا نمی‌کنند؛ انرژی از بخشی به بخش دیگر می‌رسد.

در فلزها، الکترون‌های آزاد هم درون ماده حرکت می‌کنند و با برخورد به اتم‌ها و الکترون‌های دیگر، انرژی منتقل می‌کنند. سهم آن‌ها در رسانش فلزها از ارتعاش اتم‌ها بیشتر است؛ به همین دلیل فلزها معمولاً رساناهای گرمایی بهتری از چوب و شیشه‌اند.

چوب هم مقداری گرما منتقل می‌کند، اما چون الکترون آزاد ندارد، رسانش آن ضعیف‌تر است. برای همین، دستهٔ چوبیِ بعضی ابزارهای آشپزی کمک می‌کند گرما آهسته‌تر به دست برسد؛ نه اینکه انتقال گرما کاملاً متوقف شود.

همرفت؛ گرما همراه شاره

بخاری نزدیک کف اتاق است؛ پس هوای نزدیک سقف چگونه گرم می‌شود؟ هوا حرکت می‌کند و انرژی را با خودش می‌برد. به انتقال گرما همراه با جابه‌جایی بخش‌هایی از ماده، همرفت می‌گوییم. همرفت در شاره‌ها، یعنی مایع‌ها و گازها، رخ می‌دهد.

در همرفت طبیعی، هوای کنار بخاری گرم و منبسط می‌شود. با افزایش حجمِ همان مقدار هوا، چگالی‌اش کاهش می‌یابد. نیروی شناوری باعث می‌شود این هوای کم‌چگال‌تر بالا برود و هوای سردتر و چگال‌تر جای آن را بگیرد. تکرار این چرخه به گرم‌شدن اتاق کمک می‌کند. در آبِ قابلمه هم جریان مشابهی شکل می‌گیرد.

اما حرکت شاره همیشه فقط بر اثر تفاوت چگالی نیست. در همرفت واداشته، یک تلمبه شاره را به حرکت درمی‌آورد؛ مثلاً پمپِ سامانهٔ گرمایش ساختمان، آب را در لوله‌ها می‌گرداند. قلب هم با به‌جریان‌انداختن خون، به انتقال گرما در بدن کمک می‌کند.

پس تفاوت اصلی را به خاطر بسپار: در رسانش، ماده جریان پیدا نمی‌کند؛ در همرفت، خود شاره جابه‌جا می‌شود.

تابش؛ گرما با پرتوها

وقتی زیر لامپ رشته‌ای روشن احساس گرما می‌کنی، لازم نیست هوای گرم از لامپ به دستت برسد. هوای گرم معمولاً بالا می‌رود؛ اینجا دستت با جذب پرتوهای گسیل‌شده از لامپ گرم می‌شود. این روش انتقال انرژی، تابش گرمایی است و برخلاف رسانش و همرفت، برای انتقال به محیط مادی نیاز ندارد؛ انرژی خورشید هم از فضای تقریباً خالی به زمین می‌رسد.

هر جسم به علت دمای خود، امواج الکترومغناطیسی گسیل می‌کند؛ حتی جسمی که برای ما سرد است! در دماهای زیر حدود $500^\circ\mathrm{C}$، این تابش عمدتاً فروسرخ و نامرئی است. پس ندیدن درخشش یک جسم، به معنی نداشتن تابش نیست.

مقدار تابش فقط به دما وابسته نیست؛ مساحت و ویژگی‌های سطح هم مؤثرند. اگر دما و مساحت یکسان باشند، سطح تیره، مات و ناصاف بیشتر از سطح روشن، درخشان و صیقلی تابش می‌کند. مثلاً دو کتری هم‌اندازه و هم‌دما، یکی سیاه و مات و دیگری براق، لزوماً به یک اندازه انرژی تابشی از دست نمی‌دهند.

دماسنجی بدون تماس

فرض کن می‌خواهیم دمای یک قطعۀ بسیار داغ را بدانیم، اما تماس با آن خطرناک است. آیا حتماً باید دماسنج را به قطعه بچسبانیم؟ نه؛ تابش گرمایی جسم می‌تواند اطلاعاتی از دمای آن به ما بدهد.

تفسنج ابزاری است که تابش گرماییِ رسیده از جسم را دریافت می‌کند و با استفاده از آن، دمای جسم را اندازه می‌گیرد. پس برای این اندازه‌گیری، لازم نیست ابزار با جسم تماس داشته باشد. به این روش اندازه‌گیری دما، تفسنجی می‌گویند.

برای نمونه، در کارگاه می‌توان دمای سطح یک قطعۀ داغ را با تفسنج مناسب اندازه گرفت، بی‌آنکه ابزار به آن برخورد کند. نکته این است که تفسنج از تابش خود جسم اطلاعات می‌گیرد؛ نه اینکه لازم باشد با تماس، هم‌دمای جسم شود.

بزرگ شدن جسم و سوراخ

اگر یک صفحۀ فلزیِ سوراخ‌دار را یکنواخت گرم کنیم، سوراخش هم بزرگ‌تر می‌شود! برای تصورش، سوراخ را با تکه‌ای از همان فلز پُر کن. هنگام گرم شدن، آن تکه هم همراه صفحه بزرگ می‌شود؛ پس جای آن، یعنی سوراخ، باید بزرگ‌تر شود، نه کوچک‌تر.

افزایش طول یک جسم از رابطۀ زیر به دست می‌آید:

$\Delta L=\alpha L_0\Delta T$

در این رابطه، $L_0$ طول اولیه، $\Delta T$ تغییر دما و $\alpha$ ضریب انبساط طولی است که به جنس ماده بستگی دارد. بنابراین، برای دو میلهٔ هم‌جنس با افزایش دمای یکسان، میلهٔ بلندتر افزایش طول بیشتری دارد؛ نه اینکه الزاماً طول نهایی‌اش دو برابر شود.

همین رابطه برای قطر سوراخ نیز کاربرد دارد. در گرم شدن یکنواخت، هم ابعاد بیرونی جسم و هم ابعاد سوراخ افزایش می‌یابند. به همین دلیل، گرم کردن یک حلقۀ فلزی می‌تواند کمک کند آن را دور قطعه‌ای که کمی بزرگ‌تر از دهانۀ حلقه است، جا بزنیم.

رقابت مایع و ظرف

فرض کن ظرفی را تا لبه از مایع پر کرده‌ای و حالا ظرف و مایع را با هم گرم می‌کنی. آیا تمام افزایش حجم مایع از ظرف بیرون می‌ریزد؟ نه؛ خود ظرف هم منبسط می‌شود و گنجایشش افزایش می‌یابد. پس باید این دو افزایش حجم را با هم مقایسه کنیم.

افزایش حجم هرکدام از رابطۀ $\Delta V=\beta V_0\Delta T$ به دست می‌آید؛ در این رابطه، $\beta$ ضریب انبساط حجمی است. برای ظرف، منظور از $V_0$ گنجایش اولیۀ آن است.

اگر ظرف در آغاز کاملاً پر باشد و افزایش حجم مایع بیشتر از افزایش گنجایش ظرف باشد، حجم سرریز برابر است با:

$V_{\text{سرریز}}=\Delta V_{\text{مایع}}-\Delta V_{\text{ظرف}}$

اما اگر گنجایش ظرف به اندازۀ حجم مایع یا بیشتر افزایش یابد، سرریزی نداریم. اگر هم ظرف از ابتدا فضای خالی داشته باشد، مایع باید ابتدا آن فضا را پر کند. بنابراین، برای پیش‌بینی سرریز، فقط دانستن انبساط مایع کافی نیست!

چرا دوفلزه خم می‌شود؟

دو نوار فلزیِ متفاوت را تصور کن که محکم به هم چسبیده‌اند؛ این مجموعه را نوار دوفلزه می‌نامیم. هنگام گرم شدن، فلزی که ضریب انبساط طولی بیشتری دارد، می‌خواهد بیشتر بلند شود. اما چون دو نوار به هم متصل‌اند، نمی‌توانند آزادانه و جدا از هم تغییر طول بدهند؛ پس مجموعه خم می‌شود.

در این خمیدگی، فلزی که بیشتر منبسط می‌شود در بیرونِ قوس قرار می‌گیرد؛ چون مسیر بیرونی بلندتر است. بنابراین نوار به سوی فلزی خم می‌شود که ضریب انبساط کمتری دارد.

مثلاً ضریب انبساط برنج از فولاد بیشتر است. اگر در آغاز نوار صاف باشد و برنج بالا و فولاد پایین قرار بگیرد، با گرم شدن نوار به سمت پایین خم می‌شود.

با سرد کردن از حالت صاف چه می‌شود؟ برنج بیشتر کوتاه می‌شود و این بار در داخل قوس قرار می‌گیرد؛ پس جهت خمیدگی برعکس می‌شود. از همین رفتار در بعضی کلیدهای تنظیم دما استفاده می‌کنند.

از توان گرمکن تا تغییر دما

برای آماده کردن آب چای، گرمکنی با توان بیشتر معمولاً آب را زودتر گرم می‌کند. اما زمان لازم به مقدار آب و میزان افزایش دمای آن هم بستگی دارد.

توان، آهنگ انتقال انرژی است. گرمکنی با توان $200\,\mathrm{W}$ در هر ثانیه $200\,\mathrm{J}$ انرژی منتقل می‌کند. پس انرژیِ منتقل‌شده در مدت $t$ برابر است با:

$Q=Pt$

از طرف دیگر، اگر ماده تغییر حالت ندهد، گرمای لازم برای تغییر دمای آن از رابطۀ زیر به دست می‌آید:

$Q=mc\Delta T$

در این رابطه، $m$ جرم، $c$ گرمای ویژه و $\Delta T=T_f-T_i$ تغییر دماست. گرمای ویژه نشان می‌دهد افزایش دمای جرم معینی از ماده چقدر انرژی می‌خواهد.

اگر اتلاف انرژی را نادیده بگیریم و انرژی گرمکن فقط صرف گرم شدن ماده شود، داریم:

$Pt=mc\Delta T$

بنابراین برای یافتن زمان، می‌نویسیم $t=\frac{mc\Delta T}{P}$؛ برای یافتن گرمای ویژه نیز $c=\frac{Pt}{m\Delta T}$. هنگام جای‌گذاری، جرم را برحسب $\mathrm{kg}$، زمان را برحسب $\mathrm{s}$ و توان را برحسب $\mathrm{W}$ وارد کن.

حساب گرما تا تعادل

وقتی آب گرم را با آب سرد مخلوط می‌کنی، آب گرم انرژی از دست می‌دهد و آب سرد انرژی می‌گیرد؛ این انتقال تا رسیدن به دمای تعادل ادامه دارد. اگر مجموعه با محیط تبادل گرما نداشته باشد، انرژی درون آن حفظ می‌شود؛ پس:

$Q_{\text{ازدست‌رفته}}=Q_{\text{دریافتی}}$

اما ظرف هم تماشاگر نیست! خود گرماسنج نیز گرما می‌گیرد یا از دست می‌دهد. مثلاً اگر آب داغ را به مخلوط آب و یک قطعۀ فلزی در گرماسنج اضافه کنیم و همۀ آن‌ها ابتدا سردتر از آب داغ باشند، گرمای آب داغ میان آب سرد، قطعه و گرماسنج تقسیم می‌شود.

برای نوشتن معادله، ابتدا مشخص کن چه چیزهایی گرم و چه چیزهایی سرد می‌شوند. سپس مقدار گرمای مبادله‌شدۀ هر جسم را با $mc\lvert T_f-T_i\rvert$ بنویس و مجموع دو طرف را برابر بگذار. در این روش، مقدار گرماها مثبت است؛ جهت انتقال را با قرار دادن جسم در طرف «ازدست‌رفته» یا «دریافتی» مشخص می‌کنیم. فراموش کردن گرماسنج یعنی نادیده گرفتن بخشی از انرژی!

گرما گرفتن، بدون گرم‌تر شدن

تصور کن مقداری یخ در نقطهٔ ذوبش داریم و به آن گرما می‌دهیم. تا وقتی یخ و آب کنار هم هستند و ذوب ادامه دارد، در فشار ثابت دما بالا نمی‌رود؛ انرژی دریافتی صرف تغییر حالت می‌شود، نه گرم‌ترشدن. پس گرما گرفتن همیشه به معنی افزایش دما نیست!

برای ذوب یک جامد خالص و بلورین در نقطهٔ ذوب، یا جوشیدن مایع در نقطهٔ جوش، گرمای لازم را از این رابطه حساب می‌کنیم:

$Q=mL$

در این رابطه، $Q$ گرمای لازم برحسب $\mathrm{J}$، جرمِ تغییرحالت‌یافته $m$ برحسب $\mathrm{kg}$ و گرمای نهان ویژه $L$ برحسب $\mathrm{J/kg}$ است. برای ذوب و تبخیر، مقدار مناسبِ $L$ را به کار می‌بریم.

مثلاً اگر بخواهیم جرم دوبرابری از آبِ در حال جوش را در همان فشار به بخار تبدیل کنیم، گرمای لازم هم دوبرابر می‌شود؛ اما دمای آبِ باقی‌مانده افزایش نمی‌یابد. یادت باشد: رابطهٔ $Q=mc\Delta T$ برای تغییر دماست؛ برای تغییر حالت در دمای ثابت از $Q=mL$ استفاده می‌کنیم.

چرا الکل پوست را خنک می‌کند؟

وقتی پیش از تزریق، پوستت را با الکل تمیز می‌کنند، کمی بعد احساس خنکی می‌کنی؛ حتی اگر الکل از قبل سرد نباشد! علت، تبخیر سطحی الکل است.

ذره‌های مایع پیوسته در حرکت‌اند. بعضی از ذره‌های سطح مایع انرژی کافی دارند تا از آن جدا شوند و به حالت بخار درآیند. پس لازم نیست مایع به نقطهٔ جوش برسد تا تبخیر شود؛ لباس خیس هم در دمای اتاق خشک می‌شود.

تبخیر فرایندی گرماگیر است. الکل برای تبدیل‌شدن به بخار انرژی می‌گیرد و بخشی از این انرژی را پوست تأمین می‌کند. در نتیجه، پوست انرژی از دست می‌دهد و خنک می‌شود؛ نه اینکه الکل «سرما» به پوست بدهد.

تبخیر عرق هم به همین روش به خنک‌شدن بدن کمک می‌کند. نکتهٔ مهم، تبخیرشدن عرق است، نه فقط خیس‌شدن پوست.

فشار و نقطهٔ ذوب

نقطهٔ ذوب یک ماده همیشه یک دمای ثابت و مستقل از شرایط نیست؛ فشار وارد بر ماده هم بر آن اثر دارد. برای بیشتر مواد، افزایش فشار باعث بالارفتن نقطهٔ ذوب می‌شود؛ یعنی جامد برای ذوب‌شدن باید به دمای بالاتری برسد.

اما یخ یک استثنای مهم است: با افزایش فشار، نقطهٔ ذوب آن اندکی پایین می‌آید. پس وقتی می‌گوییم یخ در فشار معمول هوا در دمای $0\,^\circ\mathrm{C}$ ذوب می‌شود، مشخص‌کردن فشار هم اهمیت دارد.

برای فهم تفاوت، یادت باشد که بیشتر مواد هنگام ذوب‌شدن حجم بیشتری اشغال می‌کنند؛ فشار بیشتر، این تغییر را دشوارتر می‌کند. ولی آبِ حاصل از ذوب یخ، از همان مقدار یخ حجم کمتری دارد؛ بنابراین افزایش فشار، ذوب یخ را آسان‌تر می‌کند.

پس یک قاعده را برای همهٔ مواد به کار نبر: بیشتر مواد، نقطهٔ ذوب بالاتر؛ یخ، نقطهٔ ذوب کمی پایین‌تر.

یخ‌بستن هم گرما آزاد می‌کند

شاید عجیب باشد، اما یک تشت آب می‌تواند سردشدن سالن را کندتر کند! آب هم هنگام پایین‌آمدن دمایش و هم هنگام یخ‌بستن، به محیط گرما می‌دهد. برای حساب‌کردن گرمایی که آب به سالن می‌دهد، مسیر را به دو مرحله تقسیم می‌کنیم:

مرحلهٔ اول: سردشدن آب تا نقطهٔ انجماد. در فشار معمول، آب تا دمای $0\,^\circ\mathrm{C}$ سرد می‌شود. در این مرحله حالت آن هنوز مایع است و مقدار گرمای آزادشده برابر است با:

$Q_1=mc_{\text{آب}}(T_i-0)$

مرحلهٔ دوم: یخ‌بستن آب. آب در دمای $0\,^\circ\mathrm{C}$ به یخ تبدیل می‌شود. در طول این تغییر حالت، دما ثابت می‌ماند، اما آب همچنان گرما آزاد می‌کند:

$Q_2=mL_f$

پس اگر همهٔ آب به یخ در همین دما تبدیل شود، گرمایی که به محیط داده است برابر می‌شود با:

$Q_{\text{آزادشده}}=Q_1+Q_2$

اینجا هر دو مقدار را مثبت، به‌معنای مقدار گرمای داده‌شده به محیط نوشته‌ایم. تشت آب گرما تولید نمی‌کند؛ انرژی خود را به سالن می‌دهد و برای مدتی آهنگ سردشدن آن را کاهش می‌دهد.

هم‌دما، اما با حس متفاوت

تصور کن در یک روز سرد، چوب و فلزی مدت زیادی کنار هم بوده‌اند و دمای یکسانی دارند. اگر دمای هر دو از دستت پایین‌تر باشد، گرما از دست تو به آن‌ها منتقل می‌شود؛ اما فلز گرمای دستت را سریع‌تر می‌گیرد و به همین دلیل سردتر احساس می‌شود. پس حس لامسه، به‌تنهایی دماسنج قابل اعتمادی نیست!

این انتقال گرما رسانش نام دارد: انرژی از بخش گرم‌تر به بخش سردتر می‌رود، بدون اینکه ماده به‌طور کلی جابه‌جا شود. مثلاً وقتی دستهٔ فلزی قاشقِ داخل چای داغ گرم می‌شود، چای تا انتهای دسته حرکت نکرده؛ انرژی از راه رسانش منتقل شده است. فلز رسانای خوبی است، ولی چوب گرما را بسیار کندتر منتقل می‌کند.

در سرمای شدید، فلز ممکن است آن‌قدر سریع گرمای پوست را بگیرد که رطوبت روی پوست یخ بزند و دست به فلز بچسبد. این حالت را با دست خیس امتحان نکن.

لباس چگونه گرم نگه می‌دارد؟

وقتی در هوای سرد پالتو می‌پوشی، انگار دور بدنت یک سد برای خروج گرما می‌سازی. پالتو خودش گرما تولید نمی‌کند؛ بدن تو گرما تولید می‌کند و لباس، انتقال آن به محیط سرد را کند می‌کند.

راز مهم، هوایی است که میان الیاف و لایه‌های لباس گیر می‌افتد. هوا رسانای ضعیف گرماست؛ بنابراین این لایه‌های هوا، رسانش گرما از بدن به بیرون را کاهش می‌دهند.

از طرف دیگر، هوای آزاد می‌تواند پس از گرم‌شدن کنار بدن جابه‌جا شود و جای خود را به هوای سرد بدهد. انتقال گرما همراه با جابه‌جایی شاره، مثل هوا، همرفت نام دارد. لباس با محدودکردن حرکت و تعویض هوا، این راه خروج گرما را هم کاهش می‌دهد.

برای همین، چند لباس مناسب زیر پالتو می‌توانند از یک لایهٔ تنها بهتر عمل کنند: میان آن‌ها هوا به دام می‌افتد. البته لباس‌ها نباید آن‌قدر فشرده باشند که فضای هوای میانشان از بین برود.

رنگ سطح و تابش گرمایی

وقتی دستت را بدون تماس به کنار بخاری نزدیک می‌کنی، گرمی آن را حس می‌کنی. یکی از راه‌های رسیدن انرژی از بخاری به دستت تابش گرمایی است. در این روش، انرژی به شکل موج‌های الکترومغناطیسی منتقل می‌شود؛ پس برخلاف رسانش و همرفت، وجود ماده ضروری نیست. انرژی خورشید هم با تابش از فضای تقریباً خالی می‌گذرد و به زمین می‌رسد.

اجسام در دماهای معمولی هم تابش گرمایی دارند، حتی اگر در تاریکی درخشان دیده نشوند. میزان این تابش به دما و ویژگی‌های سطح بستگی دارد.

حالا دو قوری هم‌جنس و هم‌اندازه را تصور کن که آب داخلشان در آغاز هم‌دماست؛ فقط یکی سیاه و دیگری سفید است. در مقایسهٔ معمول کتاب، با یکسان بودن بقیهٔ شرایط، سطح سیاه تابش گرمایی بیشتری گسیل می‌کند. بنابراین انرژی آب قوری سیاه سریع‌تر به محیط خنک‌تر منتقل می‌شود و آب آن زودتر خنک می‌شود. پس سیاه‌بودن همیشه به معنای گرم‌ترماندن نیست!