۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
فیزیک ۱ (ریاضی) · فصل ۴

خلاصه درس فصل ۴ فیزیک دهم ریاضی؛ درسنامه و نکات مهم

«دما و گرما»، فصل ۴ کتاب فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۸۳ تا ۱۲۶، پایهٔ دهم: ۶ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۸۳ تا ۸۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ـ۱ دما و دماسنجی

در این درس یاد می‌گیری دماسنج‌ها چگونه کار می‌کنند، دما را میان مقیاس‌های سلسیوس، کلوین و فارنهایت تبدیل کنی و دماسنج‌های معیار و ویژگی‌های ترموکوپل را بشناسی.

پیش از شروع

آیا ممکن است دو دماسنج، دمای بدن یک فرد سالم را یکی حدود 3737 و دیگری حدود 310310 نشان دهند و هر دو درست کار کنند؟

بله؛ عدد دما بدون دانستن مقیاس آن کافی نیست. دمای 37∘C37^\circ\mathrm{C} تقریباً همان 310 K310\,\mathrm{K} است؛ درست مثل طول یک میز که با متر و سانتی‌متر، عددهای متفاوتی دارد.

دماسنج چه چیزی را اندازه می‌گیرد؟

دماسنج چه چیزی را اندازه می‌گیرد؟

برای فهمیدن اینکه بدن کسی تب دارد یا نه، فقط لمس پیشانی کافی نیست؛ به اندازه‌گیری نیاز داریم. دما کمّیتی است که میزان سردی و گرمی جسم را مشخص می‌کند. اما دماسنج چگونه آن را اندازه می‌گیرد؟

راهش این است که یک ویژگیِ قابل اندازه‌گیری پیدا کنیم که با سرد و گرم شدن تغییر کند. به این ویژگی کمّیت دماسنجی می‌گوییم؛ یعنی چیزی که تغییرش به ما کمک می‌کند دما را تعیین کنیم.

مثلاً در دماسنج الکلی، با گرم شدن، الکل منبسط می‌شود و ارتفاع آن در لوله بالا می‌رود؛ با سرد شدن، ارتفاعش پایین می‌آید. پس در این دماسنج، کمّیت دماسنجی ارتفاع مایع در لوله است، نه خودِ دما.

دماسنج از روی این ارتفاع و درجه‌بندی کنار لوله، دما را نشان می‌دهد. بنابراین دما چیزی است که می‌خواهیم بدانیم و ارتفاع مایع نشانهٔ قابل اندازه‌گیریِ آن است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۴

ساختن مقیاس سلسیوس

ساختن مقیاس سلسیوس

فرض کن لولهٔ یک دماسنج را داری، اما روی آن هیچ عددی نیست. برای اینکه همه از آن برداشت یکسانی داشته باشند، از کجا باید درجه‌بندی را شروع کنی؟ به دو دمای مشخص و تکرارپذیر نیاز داریم.

در مقیاس سلسیوس، این دو نقطه را با آب خالص در فشار جوّ متعارف، یعنی 1atm1\mathrm{atm}، تعیین می‌کنیم:

  • جایی که آب شروع به یخ‌زدن می‌کند، علامت 0∘C0^\circ\mathrm{C} می‌گذاریم.
  • جایی که آب در حال جوشیدن است، علامت 100∘C100^\circ\mathrm{C} می‌گذاریم.

سپس فاصلهٔ میان این دو علامت را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم؛ هر قسمت برابر با 1∘C1^\circ\mathrm{C} است. درست مثل خط‌کش، برابر بودن فاصلهٔ درجه‌ها مهم است.

وقتی دماسنج اتاق را می‌خوانی، عدد آن بر اساس همین مقیاس معنا پیدا می‌کند. یادت باشد شرط «آب خالص و فشار جوّ متعارف» مهم است؛ نباید انتظار داشته باشیم آب در هر شرایطی دقیقاً در همین دماها یخ بزند یا بجوشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۴

کلوین؛ مبدأ متفاوت، گام یکسان

کلوین؛ مبدأ متفاوت، گام یکسان

دو خط‌کش را تصور کن که فاصلهٔ درجه‌هایشان یکسان است، اما صفرشان روبه‌روی هم نیست. مقیاس‌های سلسیوس و کلوین هم چنین رابطه‌ای دارند: اندازهٔ هر گام یکسان است، ولی مبدأها متفاوت‌اند.

دمای سلسیوس را با θ\theta و دمای کلوین را با TT نشان می‌دهیم. رابطهٔ دقیق آن‌ها T=θ+273.15T=\theta+273.15 است؛ برای محاسبه‌های این کتاب از تقریب زیر استفاده می‌کنیم:

T=θ+273T=\theta+273

صفر کلوین، صفر مطلق نام دارد و کمترین دمای ممکن است؛ مقدار دقیق آن در مقیاس سلسیوس −273.15∘C-273.15^\circ\mathrm{C} است. یکای کلوین را با K\mathrm{K} می‌نویسیم، نه با علامت درجه.

حالا فرض کن دمای اتاق افزایش یابد. چون برای تبدیل دمای ابتدا و انتها، مقدار ثابتی اضافه می‌کنیم، این مقدار هنگام تفریق حذف می‌شود. پس تغییر دما در این دو مقیاس عدد یکسانی دارد:

ΔT=Δθ\Delta T=\Delta\theta

بنابراین، عددِ دما در دو مقیاس متفاوت است، اما عددِ افزایش یا کاهش دما یکسان می‌ماند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۴

از سلسیوس به فارنهایت

از سلسیوس به فارنهایت

اگر در یک گزارش هواشناسی خارجی دما را با نماد ∘F^\circ\mathrm{F} دیدی، با مقیاس فارنهایت روبه‌رو هستی؛ نه سلسیوس. برای بیان یک دمای مشخص در این مقیاس، از رابطهٔ زیر استفاده می‌کنیم:

F=95θ+32F=\frac{9}{5}\theta+32

در این رابطه، θ\theta عدد دما برحسب سلسیوس و FF عدد دما برحسب فارنهایت است. اول عدد دمای سلسیوس را در 95\frac{9}{5} ضرب می‌کنیم و بعد عدد 3232 را به حاصل می‌افزاییم. پس فقط عوض‌کردن نماد یکا کافی نیست!

چرا رابطه هم ضرب دارد و هم جمع؟ چون در این دو مقیاس، هم اندازهٔ هر درجه متفاوت است و هم عددی که به یک دمای مشخص نسبت می‌دهند. مثلاً دمای یخ‌زدن آب خالص در فشار جوّ متعارف، در سلسیوس 0∘C0^\circ\mathrm{C} و در فارنهایت 32∘F32^\circ\mathrm{F} است؛ دو عدد متفاوت برای همان دما.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۵

دماسنج‌های معیار و ترموکوپل

دماسنج‌های معیار و ترموکوپل

برای اندازه‌گیری‌های علمی، فقط داشتن یک دماسنج کافی نیست؛ دقت آن و گسترهٔ دمایی مناسبش هم اهمیت دارد. دانشمندان سه نوع دماسنج را به‌عنوان دماسنج معیار پذیرفته‌اند: گازی، مقاومت پلاتینی و تف‌سنج یا پیرومتر.

ترموکوپل هم دماسنج پرکاربردی است، اما به دلیل دقت کمتر نسبت به این سه نوع، دیگر جزو دماسنج‌های معیار نیست. کنار گذاشتن آن از معیارها به معنای بی‌فایده بودنش نیست!

ترموکوپل از دو سیم رسانای غیرهم‌جنس ساخته می‌شود. یک سمت مجموعه در دمای مرجع، مانند دمای ذوب یخ، قرار می‌گیرد و محل اتصال دیگر در جایی است که می‌خواهیم دمایش را بدانیم. با تغییر دمای این محل، ولتاژ اندازه‌گیری‌شده تغییر می‌کند؛ پس کمّیت دماسنجی ترموکوپل، ولتاژ است. با مشخص کردن ولتاژ متناظر با دماهای معلوم، می‌توان از روی ولتاژ، دما را خواند.

چون محل اتصال جرم کمی دارد، سریع با جسم هم‌دما می‌شود. همچنین می‌توان آن را به مدارهای الکترونیکی وصل کرد؛ برای همین در تجهیزات صنعتی و دستگاه‌های گرمایشی و سرمایشی کاربرد فراوانی دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۶

مثال حل‌شده

دمای بدن یک فرد سالم تقریباً 37 ∘C37\,{}^\circ\mathrm{C} است؛ آن را برحسب کلوین و فارنهایت بنویس.

  1. دادهٔ مسئله را مشخص می‌کنیم: θ=37 ∘C\theta=37\,{}^\circ\mathrm{C}. قرار است همین دما را با دو مقیاس دیگر بیان کنیم.

  2. برای کلوین، رابطهٔ تقریبی کتاب را می‌نویسیم: T=θ+273T=\theta+273.

  3. جای‌گذاری می‌کنیم: T=37+273=310 KT=37+273=310\,\mathrm{K}. دقت کن که کنار نماد کلوین، علامت درجه نمی‌گذاریم.

  4. برای فارنهایت، رابطه را می‌نویسیم و جای‌گذاری می‌کنیم: F=95θ+32=95×37+32F=\frac{9}{5}\theta+32=\frac{9}{5}\times37+32.

  5. ابتدا ضرب و سپس جمع را انجام می‌دهیم: F=66.6+32=98.6 ∘FF=66.6+32=98.6\,{}^\circ\mathrm{F}. این عددهای متفاوت، همگی یک دمای یکسان را نشان می‌دهند.

جواب: دمای بدن برابر با حدود 310 K310\,\mathrm{K} و 98.6 ∘F98.6\,{}^\circ\mathrm{F} است.

نکات مهم

  • دماسنج با سنجش یک ویژگی وابسته به دما، مانند ارتفاع مایع یا ولتاژ، میزان سردی و گرمی جسم را مشخص می‌کند.
  • سلسیوس با دو نقطهٔ ثابت آب درجه‌بندی می‌شود؛ برای تبدیل آن در محاسبه‌های این کتاب از T=θ+273T=\theta+273 و F=95θ+32F=\frac{9}{5}\theta+32 استفاده می‌کنیم و تغییر دما در سلسیوس و کلوین عدد یکسانی دارد.
  • دماسنج‌های گازی، مقاومت پلاتینی و تف‌سنج معیارند، اما ترموکوپل با وجود معیار نبودن، به دلیل پاسخ سریع و قابلیت استفاده در مدارهای الکترونیکی پرکاربرد است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۸۷ تا ۹۶ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ـ۲ انبساط گرمایی

در این درس یاد می‌گیری … تغییر طول، سطح و حجم اجسام بر اثر تغییر دما را پیش‌بینی و محاسبه کنی و با آن، کار نوار دوفلزه، سرریز مایع، تغییر چگالی و یخ‌زدن سطح دریاچه را توضیح بدهی.

پیش از شروع

چرا دریاچه در سرمای زمستان از سطح یخ می‌زند، نه از کف؛ و این چه ارتباطی با انبساط گرمایی دارد؟

آب برخلاف بیشتر مایع‌ها، هنگام سردشدن از 4∘C4^\circ\mathrm{C} تا 0∘C0^\circ\mathrm{C} افزایش حجم پیدا می‌کند و چگالی‌اش کمتر می‌شود. به همین دلیل، آبِ سردتر روی آبِ زیرین می‌ماند و سطح دریاچه زودتر یخ می‌زند؛ درحالی‌که زیر آن هنوز آب مایع وجود دارد.

گرم‌شدن و تغییر طول

گرم‌شدن و تغییر طول

ریل راه‌آهن در روز گرم کمی بلندتر می‌شود. اگر جایی برای این افزایش طول نباشد، ممکن است ریل خم شود؛ پس حتی تغییر طول‌های کوچک هم در ساخت سازه‌ها مهم‌اند.

بیشتر جامدها با گرم‌شدن منبسط می‌شوند. برای یک میله و تغییرات دمایی نسبتاً کوچک داریم:

ΔL=αL1ΔT\Delta L=\alpha L_1\Delta T

در این رابطه، L1L_1 طول اولیه، ΔT=T2−T1\Delta T=T_2-T_1 تغییر دما و ΔL=L2−L1\Delta L=L_2-L_1 تغییر طول است. ضریب α\alpha به جنس ماده بستگی دارد؛ هرچه بزرگ‌تر باشد، میله در شرایط یکسان بیشتر تغییر طول می‌دهد.

بنابراین، میلهٔ بلندتر، تغییر دمای بیشتر یا ضریب انبساط بزرگ‌تر، تغییر طول بیشتری ایجاد می‌کند؛ البته وقتی بقیهٔ عامل‌ها یکسان باشند. هنگام سردشدن، ΔT\Delta T منفی می‌شود و رابطه، کوتاه‌شدن میله را نشان می‌دهد.

اگر طول‌ها برحسب m\mathrm{m} و تغییر دما برحسب ∘C^\circ\mathrm{C} باشند، یکای ضریب انبساط 1/∘C1/^\circ\mathrm{C} است. حواست باشد: رابطه ابتدا «تغییر طول» را می‌دهد، نه طول نهایی؛ برای طول نهایی باید بنویسی L2=L1+ΔLL_2=L_1+\Delta L.

کتاب درسی، صفحهٔ ۸۸

از فاصلهٔ ذرات تا دماپا

از فاصلهٔ ذرات تا دماپا

وقتی یک میله گرم و بلندتر می‌شود، آیا خود اتم‌هایش بزرگ‌تر شده‌اند؟ نه؛ فاصلهٔ متوسط بین اتم‌ها بیشتر می‌شود. در جامد، اتم‌ها پیرامون جایگاه تعادلشان نوسان می‌کنند؛ با افزایش دما، فاصلهٔ متوسط آن‌ها افزایش می‌یابد و جسم منبسط می‌شود.

حالا دو تیغه از فلزهای متفاوت را تصور کن که در تمام طول به هم متصل‌اند. این مجموعه نوار دوفلزه نام دارد. هنگام گرم‌شدن، فلزی که ضریب انبساط طولی بیشتری دارد، می‌خواهد بیشتر بلند شود؛ اما اتصال تیغه‌ها اجازه نمی‌دهد مستقل از هم تغییر طول دهند. پس نوار خم می‌شود: تیغهٔ با ضریب انبساط بیشتر در کمان خارجی و بلندتر قرار می‌گیرد و نوار به سمت تیغهٔ با ضریب کمتر خم می‌شود.

این خم‌شدن کاربرد دارد! در دماسنج دوفلزه، حرکت نوار عقربه را جابه‌جا می‌کند. در نوعی دماپا یا ترموستات، مثل مدار سادهٔ یک کتری برقی، خم‌شدن نوار در دمای معین اتصال را باز و جریان را قطع می‌کند؛ با سردشدن، نوار به وضعیت قبلی برمی‌گردد و می‌تواند مدار را دوباره وصل کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۱

انبساط سطح و حفره

انبساط سطح و حفره

فرض کن ورقه‌ای فلزی را یکنواخت گرم کنیم و ورقه آزاد باشد منبسط شود. هم طول و هم عرض آن افزایش می‌یابد؛ پس مساحتش هم بیشتر می‌شود. برای تغییرات دمایی نسبتاً کوچک داریم:

ΔA=2αA1ΔT\Delta A=2\alpha A_1\Delta T

در این رابطه، A1A_1 مساحت اولیه و α\alpha همان ضریب انبساط طولی است؛ ضریب انبساط سطحی تقریباً 2α2\alpha است. همچنین ΔT=T2−T1\Delta T=T_2-T_1 و مساحت نهایی برابر A2=A1+ΔAA_2=A_1+\Delta A خواهد بود. یکای مساحت اولیه و تغییر مساحت باید یکسان باشد، مثلاً هر دو cm2\mathrm{cm^2}.

اگر ورقه سوراخ داشته باشد چه؟ شاید فکر کنی فلز با منبسط‌شدن به داخل سوراخ پیش می‌رود و آن را کوچک می‌کند؛ اما حفره هم بزرگ‌تر می‌شود! تصور کن سوراخ با تکه‌ای از همان فلز پُر شده باشد. هنگام گرم‌شدن، آن تکه هم همراه ورقه بزرگ می‌شد؛ پس جای خالی آن نیز باید بزرگ‌تر شود.

بنابراین، برای تغییر مساحت حفره هم همین رابطه را به کار می‌بریم، با این تفاوت که A1A_1 مساحت اولیهٔ خود حفره است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۲

حجم، سرریز و چگالی

حجم، سرریز و چگالی

اگر بطری را تا لبه از مایع پر کنیم، با گرم‌شدن ممکن است مقداری مایع بیرون بریزد. برای بررسی این اتفاق، باید افزایش حجم مایع و افزایش گنجایش ظرف را با هم مقایسه کنیم.

تغییر حجم از رابطهٔ ΔV=βV1ΔT\Delta V=\beta V_1\Delta T به دست می‌آید؛ V1V_1 حجم اولیه، ΔT=T2−T1\Delta T=T_2-T_1 تغییر دما و β\beta ضریب انبساط حجمی ماده است. یکای ضریب، K−1\mathrm{K^{-1}} یا (∘C)−1({}^\circ\mathrm{C})^{-1} است. حجم اولیه و تغییر حجم باید یکای یکسان داشته باشند؛ مثلاً هر دو برحسب cm3\mathrm{cm^3} باشند.

برای بیشتر جامدها که در همهٔ راستاها یکسان منبسط می‌شوند، تقریباً β=3α\beta=3\alpha است. مایع شکل ثابتی ندارد؛ بنابراین انبساطش را فقط به‌صورت حجمی بررسی می‌کنیم.

اگر ظرف از ابتدا کاملاً پر باشد و مایع بیشتر از گنجایش ظرف افزایش حجم پیدا کند، حجم سرریز برابر اختلاف این دو افزایش است، نه کل افزایش حجم مایع.

گرم‌شدن به‌تنهایی جرم را تغییر نمی‌دهد. پس برای جسمی که ماده‌ای از آن خارج نشده، افزایش حجم باعث کاهش چگالی می‌شود؛ چون ρ=m/V\rho=m/V. در نتیجه، ρ2=ρ1/(1+βΔT)\rho_2=\rho_1/(1+\beta\Delta T).

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۳

رفتار استثنایی آب

رفتار استثنایی آب

آیا آب همیشه با سردشدن جمع می‌شود؟ نه! آب شیرین در دمای 4∘C4^\circ\mathrm{C} بیشترین چگالی را دارد؛ یعنی حجم مقدار معیّنی آب در این دما کمترین است.

بالاتر از این دما، آب با سردشدن کم‌حجم‌تر و چگال‌تر می‌شود؛ اما وقتی از 4∘C4^\circ\mathrm{C} تا 0∘C0^\circ\mathrm{C} سرد می‌شود، رفتارش برعکس است: حجمش بیشتر و چگالی‌اش کمتر می‌شود. پس نباید قاعدهٔ «سردشدن یعنی کاهش حجم» را برای همهٔ دماهای آب به کار ببریم.

حالا دریاچه‌ای را در آغاز زمستان تصور کن. آب سطح با سردشدن، چگال‌تر می‌شود و پایین می‌رود. این جابه‌جایی تا رسیدن آب به حدود 4∘C4^\circ\mathrm{C} ادامه دارد. با سردشدن بیشتر، آب سطح دیگر چگال‌تر نمی‌شود؛ کم‌چگال‌تر می‌شود و روی آب زیرین می‌ماند تا یخ بزند.

به همین دلیل، یخ‌زدن از سطح آغاز می‌شود و زیر لایهٔ یخ، آب می‌تواند همچنان مایع بماند؛ فرصتی حیاتی برای جانداران آبزی.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

مثال حل‌شده

ظرفی شیشه‌ای در دمای 20∘C20^\circ\mathrm{C} گنجایش 200 cm3200\,\mathrm{cm^3} دارد و تا لبه از گلیسیرینِ هم‌دمای خود پر شده است. دمای ظرف و مایع را به 60∘C60^\circ\mathrm{C} می‌رسانیم. اگر αشیشه=9.0×10−6 (∘C)−1\alpha_{\text{شیشه}}=9.0\times10^{-6}\,({}^\circ\mathrm{C})^{-1} و βگلیسیرین=4.9×10−4 (∘C)−1\beta_{\text{گلیسیرین}}=4.9\times10^{-4}\,({}^\circ\mathrm{C})^{-1} باشد، چه حجمی از مایع سرریز می‌شود؟

  1. تغییر دما را حساب می‌کنیم، نه اینکه دمای نهایی را در رابطه بگذاریم: ΔT=60−20=40∘C\Delta T=60-20=40^\circ\mathrm{C}.

  2. ضریب انبساط حجمی شیشه را از ضریب طولی آن به دست می‌آوریم: βشیشه≈3αشیشه=2.7×10−5 (∘C)−1\beta_{\text{شیشه}}\approx3\alpha_{\text{شیشه}}=2.7\times10^{-5}\,({}^\circ\mathrm{C})^{-1}.

  3. افزایش حجم گلیسیرین برابر است با ΔVمایع=βگلیسیرینV1ΔT=(4.9×10−4)(200)(40) cm3=3.92 cm3\Delta V_{\text{مایع}}=\beta_{\text{گلیسیرین}}V_1\Delta T=(4.9\times10^{-4})(200)(40)\,\mathrm{cm^3}=3.92\,\mathrm{cm^3}.

  4. گنجایش ظرف هم افزایش می‌یابد: ΔVظرف=(2.7×10−5)(200)(40) cm3=0.216 cm3\Delta V_{\text{ظرف}}=(2.7\times10^{-5})(200)(40)\,\mathrm{cm^3}=0.216\,\mathrm{cm^3}.

  5. چون افزایش حجم مایع بیشتر است، سرریز داریم؛ فقط اختلاف دو افزایش حجم بیرون می‌ریزد: Vسرریز=3.92−0.216=3.704 cm3≈3.7 cm3V_{\text{سرریز}}=3.92-0.216=3.704\,\mathrm{cm^3}\approx3.7\,\mathrm{cm^3}.

جواب: مایع سرریز می‌شود و حجم سرریز برابر 3.704 cm33.704\,\mathrm{cm^3}، یعنی تقریباً 3.7 cm33.7\,\mathrm{cm^3} است.

نکات مهم

  • در انبساط گرمایی، فاصلهٔ متوسط ذرات تغییر می‌کند و تفاوت ضریب انبساط دو فلزِ متصل، عامل خم‌شدن نوار دوفلزه و کار دماپاست.
  • برای تغییرات دمایی نه‌چندان بزرگ، تغییر طول، سطح و حجم از رابطه‌های ΔL=αL1ΔT\Delta L=\alpha L_1\Delta T، ΔA=2αA1ΔT\Delta A=2\alpha A_1\Delta T و ΔV=βV1ΔT\Delta V=\beta V_1\Delta T به دست می‌آید و برای بیشتر جامدها β≈3α\beta\approx3\alpha است.
  • در جرم ثابت، افزایش حجم باعث کاهش چگالی می‌شود، اما آب بین 0∘C0^\circ\mathrm{C} و 4∘C4^\circ\mathrm{C} رفتار معکوس دارد و بیشترین چگالی آن در 4∘C4^\circ\mathrm{C} است.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۹۶ تا ۱۰۳ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ــ۳ گرما

در این درس یاد می‌گیری گرما را از دما تشخیص بدهی، با ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه مقدار گرمای مبادله‌شده را حساب کنی و از پایستگی انرژی برای یافتن دمای تعادل و تحلیل گرماسنجی کمک بگیری.

پیش از شروع

چرا آب را هم برای گرم‌کردن خانه در شوفاژ به کار می‌برند و هم برای خنک‌کردن موتور خودرو؟

آب می‌تواند با تغییر دمای نسبتاً کم، انرژی زیادی با محیط مبادله کند. در شوفاژ، آبِ گرم به هوای اتاق انرژی می‌دهد؛ در موتور خودرو، آب از موتور داغ انرژی می‌گیرد و آن را به رادیاتور می‌برد.

گرما؛ انرژی در راه

گرما؛ انرژی در راه

یک لیوان آب داغ را روی میز تصور کن. آب کم‌کم خنک می‌شود، چون انرژی از آب به محیط خنک‌تر می‌رود. اگر آب خیلی سرد باشد، برعکس، از محیط انرژی می‌گیرد و گرم‌تر می‌شود.

گرما، انرژی‌ای است که به دلیل اختلاف دما منتقل می‌شود؛ جهت این انتقال از جسم گرم‌تر به جسم سردتر است. پس دما و گرما یکی نیستند: دما وضعیت گرم یا سرد بودن جسم را نشان می‌دهد، اما گرما نامِ انرژی در حال انتقال است.

جسم انرژی درونی دارد، ولی نمی‌گوییم «درون آن گرما ذخیره شده است». مثل پولی که بین دو حساب جابه‌جا می‌شود: «انتقال» را نباید با «موجودی حساب» یکی بگیریم!

وقتی آب، لیوان و محیط هم‌دما شوند، تعادل گرمایی برقرار می‌شود و دیگر انتقال خالص گرما میان آنها نداریم. گرما را با QQ نشان می‌دهیم و یکای آن، مانند انرژی، ژول با نماد J\mathrm{J} است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۶

ظرفیت گرمایی جسم

ظرفیت گرمایی جسم

برای اینکه دمای یک جسم را به اندازهٔ مشخصی بالا ببریم، چقدر گرما لازم است؟ پاسخ به ظرفیت گرمایی آن جسم بستگی دارد؛ این کمیت را با CC نشان می‌دهیم و به جنس و جرم جسم وابسته است.

رابطهٔ گرمای مبادله‌شده و تغییر دما چنین است:

Q=CΔTQ=C\Delta T

در این رابطه، ΔT\Delta T یعنی دمای نهایی منهای دمای اولیه. چون یکای گرما ژول و یکای تغییر دما کلوین است، یکای ظرفیت گرمایی J/K\mathrm{J/K} می‌شود. مثلاً ظرفیت گرمایی 2000 J/K2000\,\mathrm{J/K} یعنی برای افزایش دمای جسم به اندازهٔ 1 K1\,\mathrm{K}، باید 2000 J2000\,\mathrm{J} گرما به آن بدهیم.

ظرفیت گرمایی بیشتر یعنی با دریافت گرمای یکسان، تغییر دمای کمتر. برای همین، مقدار زیادی آب می‌تواند گرمای زیادی با محیط مبادله کند، بی‌آنکه دمایش خیلی تغییر کند؛ مانند آب دریا که نوسان دمای هوای ساحل را کاهش می‌دهد.

حواست باشد: «ظرفیت» اینجا به معنی گنجایش یک مخزن نیست که روزی پُر شود! تا وقتی اختلاف دما وجود داشته باشد، مبادلهٔ گرما ادامه پیدا می‌کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۷

گرمای ویژه؛ مقایسهٔ مواد

گرمای ویژه؛ مقایسهٔ مواد

برای گرم‌کردن یک قابلمهٔ پر از آب، نسبت به همان قابلمه با آب کمتر، گرمای بیشتری لازم است. پس ظرفیت گرمایی فقط به جنس ماده مربوط نیست؛ جرم هم مهم است. برای مقایسهٔ مواد، ظرفیت گرمایی را بر جرم تقسیم می‌کنیم:

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

کمیت cc، گرمای ویژه است؛ یعنی گرمای لازم برای افزایش دمای 1 kg1\,\mathrm{kg} از ماده به اندازهٔ 1 K1\,\mathrm{K}. یکای آن J/(kg⋅K)\mathrm{J/(kg\cdot K)} است و به جنس ماده و دما بستگی دارد؛ در این مسائل آن را ثابت در نظر می‌گیریم.

با جای‌گذاری C=mcC=mc در رابطهٔ کارت قبل داریم:

Q=mcΔTQ=mc\Delta T

در این رابطه، ΔT\Delta T تغییر دماست، نه دمای نهایی. برای یک ماده، هرچه جرم یا تغییر دما بیشتر باشد، گرمای بیشتری لازم است. همچنین، برای جرم و تغییر دمای یکسان، ماده‌ای با گرمای ویژهٔ بیشتر، گرمای بیشتری مبادله می‌کند.

گرمای ویژهٔ زیاد آب باعث می‌شود با تغییر دمای نسبتاً کم، انرژی زیادی جابه‌جا کند؛ برای همین در شوفاژ، گرما را به اتاق می‌دهد و در سامانهٔ خنک‌کنندهٔ خودرو، گرما را از موتور می‌گیرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۸

حساب‌وکتاب دمای تعادل

حساب‌وکتاب دمای تعادل

اگر آب گرم و آب سرد را در یک ظرف عایق مخلوط کنیم، آب گرم انرژی از دست می‌دهد و آب سرد انرژی می‌گیرد تا هم‌دما شوند. اگر مجموعه با محیط گرما مبادله نکند، انرژیِ ازدست‌رفتهٔ بخش گرم برابر انرژیِ گرفته‌شدهٔ بخش سرد است. پس با درنظرگرفتن علامت‌ها داریم: ∑Q=0\sum Q=0.

برای نوشتن معادله، دمای نهایی مشترک را θ\theta می‌نامیم و برای هر جسم جداگانه می‌نویسیم:

ΔT=θ−θاولیه\Delta T=\theta-\theta_{\text{اولیه}}

سپس از رابطهٔ Q=mcΔTQ=mc\Delta T استفاده می‌کنیم. برای جسم گرم، دمای نهایی کمتر از دمای اولیه است؛ بنابراین Q<0Q<0 می‌شود. برای جسم سرد، تغییر دما و در نتیجه QQ مثبت است. لازم نیست علامت منفی دیگری اضافه کنیم!

برای دو جسم، معادله چنین است:

m1c1(θ−θ1)+m2c2(θ−θ2)=0m_1c_1(\theta-\theta_1)+m_2c_2(\theta-\theta_2)=0

با حل این معادله، دمای تعادل پیدا می‌شود. یک کنترل مفید: در این شرایط، دمای تعادل باید بین دو دمای اولیه باشد؛ اما لزوماً میانگین سادهٔ آنها نیست، چون جرم و گرمای ویژه هم اثر دارند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۰

گرماسنج؛ اندازه‌گیری با تعادل

گرماسنج؛ اندازه‌گیری با تعادل

چطور می‌توان جنس یک قطعهٔ فلزی ناشناخته را بررسی کرد؟ یکی از راه‌ها اندازه‌گیری گرمای ویژهٔ آن با گرماسنج است؛ ظرفی درپوش‌دار و عایق که تبادل گرما با محیط را بسیار کم می‌کند.

مقداری آب با جرم معلوم در گرماسنج می‌ریزیم و دمای اولیهٔ آب و ظرف را پس از هم‌دماشدن ثبت می‌کنیم. سپس فلزی با جرم و دمای اولیهٔ معلوم را داخل آب می‌گذاریم. با هم‌زدن، دما زودتر یکنواخت می‌شود؛ در پایان، دمای تعادل را می‌خوانیم.

خود ظرف هم گرما مبادله می‌کند! اگر فلز داغ‌تر باشد، هم آب و هم ظرف از آن انرژی می‌گیرند. با صرف‌نظر از تبادل گرما با محیط و اثر دماسنج و همزن، می‌نویسیم:

Qآب+Qفلز+Qظرف=0Q_{\text{آب}}+Q_{\text{فلز}}+Q_{\text{ظرف}}=0

برای آب و فلز از Q=mcΔTQ=mc\Delta T و برای ظرف از Qظرف=CظرفΔTظرفQ_{\text{ظرف}}=C_{\text{ظرف}}\Delta T_{\text{ظرف}} استفاده می‌کنیم. پس با دانستن ظرفیت گرمایی ظرف، می‌توان گرمای ویژهٔ فلز را پیدا کرد.

کاربرد دیگر، سنجش انرژی مواد غذایی در گرماسنج بمبی است: نمونه در محفظه‌ای بسته می‌سوزد و از افزایش دمای آب و مجموعهٔ گرماسنج، انرژی آزادشده تعیین می‌شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۱

مثال حل‌شده

در ظرفی عایق، 0.20 kg0.20\,\mathrm{kg} آب با دمای 60∘C60^\circ\mathrm{C} را با 0.30 kg0.30\,\mathrm{kg} آب با دمای 20∘C20^\circ\mathrm{C} مخلوط می‌کنیم. دمای تعادل چقدر می‌شود؟ از گرمای مبادله‌شده با ظرف چشم‌پوشی کن و گرمای ویژهٔ آب را برای هر دو مقدار یکسان بگیر.

  1. دمای تعادل را θ\theta می‌نامیم؛ آب گرم سرد می‌شود و آب سرد گرم می‌شود، پس انتظار داریم 20∘C<θ<60∘C20^\circ\mathrm{C}<\theta<60^\circ\mathrm{C} باشد.

  2. چون مجموعه با محیط تبادل گرما ندارد و اثر ظرف ناچیز است، می‌نویسیم: Qآب گرم+Qآب سرد=0Q_{\text{آب گرم}}+Q_{\text{آب سرد}}=0.

  3. برای هر بخش آب از Q=mcΔTQ=mc\Delta T استفاده می‌کنیم: (0.20 kg)c(θ−60∘C)+(0.30 kg)c(θ−20∘C)=0(0.20\,\mathrm{kg})c(\theta-60^\circ\mathrm{C})+(0.30\,\mathrm{kg})c(\theta-20^\circ\mathrm{C})=0.

  4. گرمای ویژهٔ مشترک را حذف و عبارت‌ها را باز می‌کنیم: (0.50 kg)θ−(18 kg⋅∘C)=0(0.50\,\mathrm{kg})\theta-(18\,\mathrm{kg}\cdot{}^\circ\mathrm{C})=0؛ بنابراین θ=36∘C\theta=36^\circ\mathrm{C}.

  5. نتیجه را بررسی می‌کنیم: تغییر دمای آب گرم −24 K-24\,\mathrm{K} و تغییر دمای آب سرد +16 K+16\,\mathrm{K} است؛ چون (0.20)(−24)+(0.30)(16)=0(0.20)(-24)+(0.30)(16)=0، گرمای ازدست‌رفته و گرفته‌شده یکدیگر را جبران می‌کنند.

جواب: دمای تعادل 36∘C36^\circ\mathrm{C} است؛ این دما بین دو دمای اولیه و به دمای آب سردتر، که جرم بیشتری دارد، نزدیک‌تر است.

نکات مهم

  • گرما انرژیِ منتقل‌شده بر اثر اختلاف دماست که از جسم گرم‌تر به جسم سردتر می‌رود، نه انرژی ذخیره‌شده در یک جسم.
  • برای محاسبهٔ گرمای مبادله‌شده از Q=CΔT=mcΔTQ=C\Delta T=mc\Delta T استفاده می‌کنیم و تغییر دما را همیشه دمای نهایی منهای دمای اولیه می‌گیریم.
  • در مجموعهٔ عایق، جمع جبری گرماهای مبادله‌شده صفر است و در گرماسنجی باید سهم ظرف را هم در صورت قابل‌توجه‌بودن حساب کنیم.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۱۰۳ تا ۱۱۱ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ـ۴ تغییر حالت‌های ماده

در این درس یاد می‌گیری تغییر حالت‌های ماده را تشخیص بدهی، تفاوت تبخیر سطحی و جوشیدن و اثر فشار را توضیح بدهی و گرمای لازم یا آزادشده در ذوب، انجماد، تبخیر و میعان را حساب کنی.

پیش از شروع

چطور ممکن است به یخ گرما بدهیم، اما دمای آن بالا نرود؟ پس انرژی‌ای که می‌گیرد کجا می‌رود؟

اگر یخ در دمای ذوب باشد، گرمای دریافتی صرف تبدیل آن به آب می‌شود، نه افزایش دمایش. پس گرما گرفتن همیشه به معنی گرم‌تر شدن نیست؛ گاهی ماده با دریافت انرژی، حالتش را تغییر می‌دهد.

مسیرهای تغییر حالت

مسیرهای تغییر حالت

یخِ داخل لیوان، آبِ لیوان و بخار آب، سه حالت یک ماده‌اند. برای نام‌گذاری تغییر حالت، کافی است بپرسی: «ماده از چه حالتی به چه حالتی رفته است؟»

  • جامد ← مایع: ذوب؛ مثل آب شدن یخ.
  • مایع ← جامد: انجماد؛ مثل یخ بستن آب.
  • مایع ← بخار: تبخیر؛ مثل خشک شدن لباس خیس.
  • بخار ← مایع: میعان؛ مثل تشکیل قطره روی سطح بیرونی لیوان سرد.

اما ماده همیشه از حالت مایع عبور نمی‌کند! نفتالین در دمای اتاق مستقیماً از جامد به بخار تبدیل می‌شود؛ این مسیر تصعید نام دارد. مسیر برعکس، یعنی تبدیل مستقیم بخار به جامد، چگالش بخار به جامد است؛ مانند تشکیل بلورهای یخ از بخار آب روی شیشهٔ بسیار سرد.

پس برای تشخیص نام تغییر، ظاهر ماده کافی نیست؛ حالت آغازین و پایانی را مشخص کن. به‌ویژه، تشکیل قطرهٔ آب را با تشکیل مستقیم بلور یخ یکی نگیر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۳

ذوب و انجماد؛ گرما بدون افزایش دما

ذوب و انجماد؛ گرما بدون افزایش دما

تصور کن مخلوط آب و یخ را در فشار معمولی آرام گرم می‌کنی. تا وقتی یخ در حال ذوب است، دما تقریباً روی 0∘C0^\circ\mathrm{C} می‌ماند. انرژی دریافتی صرف تغییر آرایش مولکول‌ها و رها شدن آن‌ها از ساختار جامد می‌شود، نه افزایش دما.

مادهٔ خالص بلورین در فشار ثابت، هنگام ذوب یا انجماد دمای ثابتی دارد. این دما به جنس ماده و فشار بستگی دارد؛ اما موادی مانند شیشه در یک گسترهٔ دمایی نرم و ذوب می‌شوند.

گرمای نهان ذوب، LFL_{\mathrm{F}}، نشان می‌دهد برای ذوب هر کیلوگرم ماده در نقطهٔ ذوب چقدر انرژی لازم است؛ یکای آن J/kg\mathrm{J/kg} است. برای جرم mm:

  • در ذوب، ماده گرما می‌گیرد: Q=+mLFQ=+mL_{\mathrm{F}}.
  • در انجماد، ماده گرما از دست می‌دهد: Q=−mLFQ=-mL_{\mathrm{F}}.

گرم‌شدن را از ذوب‌شدن جدا کن: اگر جامد ابتدا سردتر از نقطهٔ ذوب باشد، اول با Q=mcΔθQ=mc\Delta\theta به نقطهٔ ذوب می‌رسد؛ سپس با دریافت گرمای mLFmL_{\mathrm{F}}، در همان دما ذوب می‌شود. پس ثابت ماندن دما به معنی نگرفتن گرما نیست!

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۴

خشک شدن با جوشیدن فرق دارد

خشک شدن با جوشیدن فرق دارد

لباس خیس روی بند خشک می‌شود، حتی وقتی آبِ آن نجوشیده است! پس تبدیل مایع به بخار فقط هنگام جوشیدن اتفاق نمی‌افتد.

تبخیر سطحی پیش از رسیدن مایع به نقطهٔ جوش، از سطح آن رخ می‌دهد. مولکول‌های مایع همگی تندی یکسانی ندارند؛ بعضی از آن‌ها انرژی کافی دارند تا از سطح مایع بگریزند و وارد هوا شوند. با افزایش دما، مولکول‌های بیشتری امکان فرار پیدا می‌کنند. با بیشتر شدن سطح آزاد مایع نیز فرصت خروج مولکول‌ها بیشتر می‌شود؛ برای همین، آبِ پخش‌شده در یک ظرف پهن، در شرایط یکسان، سریع‌تر از همان مقدار آب در ظرف باریک تبخیر می‌شود.

اما در جوشیدن، تشکیل و بالا آمدن حباب‌های بخار درون مایع باعث می‌شود تمام مایع در تبخیر شرکت کند، نه فقط سطح آن.

تبخیر سطحی برای بدن هم کاربرد دارد: عرق برای تبخیر شدن از پوست گرما می‌گیرد و به خنک شدن بدن کمک می‌کند. پس صرفِ خیس شدن پوست نیست که ما را خنک می‌کند؛ تبخیر عرق مهم است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۸

انرژی تبخیر و نقش فشار

انرژی تبخیر و نقش فشار

آبِ در حال جوش هنوز هم برای بخار شدن به گرما نیاز دارد؛ این انرژی صرف تغییر حالت می‌شود، نه افزایش دما. برای تبخیر جرم mm از مایع داریم:

Q=+mLVQ=+mL_{\mathrm{V}}

علامت مثبت یعنی مایع گرما می‌گیرد. LVL_{\mathrm{V}} گرمای نهان تبخیر است و به جنس مایع و دمای آن بستگی دارد؛ یکای آن J/kg\mathrm{J/kg} است. بنابراین برای آب در دماهای مختلف، نباید همیشه یک مقدار ثابت انتخاب کنیم.

اگر توانِ گرماییِ رسیده به مایع، یعنی PP، ثابت باشد، از Q=PΔtQ=P\Delta t زمان را پیدا می‌کنیم:

Δt=mLVP\Delta t=\dfrac{mL_{\mathrm{V}}}{P}

دقت کن: اگر بخشی از انرژی گرم‌کن به محیط برسد، تمام توان دستگاه صرف تبخیر نمی‌شود.

نقطهٔ جوش نیز به جنس مایع و فشار بستگی دارد. فشار بیشتر، نقطهٔ جوش را بالاتر می‌برد. برای همین در زودپز، آب در دمای بالاتری می‌جوشد و غذا زودتر می‌پزد؛ در ارتفاعات، فشار کمتر است و آب در دمای پایین‌تری می‌جوشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۹

میعان؛ بازگشت گرما به محیط

میعان؛ بازگشت گرما به محیط

اگر یک لیوان سرد را در هوای مرطوب بگذاری، روی سطح بیرونی آن قطره‌های آب تشکیل می‌شود. این آب از داخل لیوان نشت نکرده است؛ بخار آبِ هوا روی سطح سرد به مایع تبدیل شده است. این تغییر حالت را میعان می‌نامیم.

میعان، وارون تبخیر است: بخار هنگام تبدیل شدن به مایع، به محیط پیرامونش گرما می‌دهد. برای جرم mm از بخار داریم:

Q=−mLVQ=-mL_{\mathrm{V}}

در این رابطه، QQ گرمای مبادله‌شدهٔ خود بخار است. علامت منفی یعنی بخار انرژی از دست می‌دهد؛ در مقابل، سطحی که قطره‌ها روی آن تشکیل می‌شوند، گرما دریافت می‌کند. پس منفی بودن QQ به معنی سرد شدن آن سطح نیست!

برای انتخاب LVL_{\mathrm{V}} باید به جنس ماده و دمای میعان توجه کنیم. همچنین، این رابطه فقط گرمای تغییر حالت را حساب می‌کند، نه گرمای مربوط به سرد شدن بخار پیش از میعان.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۱

مثال حل‌شده

قطعه‌یخی به جرم 0.100 kg0.100\,\mathrm{kg} و دمای −10∘C-10^\circ\mathrm{C} را در فشار 1 atm1\,\mathrm{atm} گرم می‌کنیم تا کاملاً به بخار آب در دمای 100∘C100^\circ\mathrm{C} تبدیل شود. با چشم‌پوشی از اتلاف گرما، گرمای لازم چقدر است؟ داده‌ها: cیخ=2200 J/(kg⋅K)c_{\text{یخ}}=2200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}، cآب=4200 J/(kg⋅K)c_{\text{آب}}=4200\,\mathrm{J/(kg\cdot K)}، LF=333700 J/kgL_{\mathrm{F}}=333700\,\mathrm{J/kg} و LV=2256000 J/kgL_{\mathrm{V}}=2256000\,\mathrm{J/kg}.

  1. مسیر را جدا می‌کنیم: گرم شدن یخ تا 0∘C0^\circ\mathrm{C}، ذوب یخ، گرم شدن آب تا 100∘C100^\circ\mathrm{C} و سرانجام تبخیر آب. در دو مرحله دما تغییر می‌کند و در دو مرحله حالت ماده.

  2. گرم شدن یخ: اختلاف دما 10 K10\,\mathrm{K} است، پس Q1=mcیخΔθ=0.100×2200×10=2200 JQ_1=mc_{\text{یخ}}\Delta\theta=0.100\times2200\times10=2200\,\mathrm{J}.

  3. ذوب کامل یخ در دمای ثابت: Q2=mLF=0.100×333700=33370 JQ_2=mL_{\mathrm{F}}=0.100\times333700=33370\,\mathrm{J}.

  4. گرم شدن آب: اختلاف دما 100 K100\,\mathrm{K} است، پس Q3=mcآبΔθ=0.100×4200×100=42000 JQ_3=mc_{\text{آب}}\Delta\theta=0.100\times4200\times100=42000\,\mathrm{J}.

  5. تبخیر کامل آب در نقطهٔ جوش: Q4=mLV=0.100×2256000=225600 JQ_4=mL_{\mathrm{V}}=0.100\times2256000=225600\,\mathrm{J}.

  6. گرماهای همهٔ مرحله‌ها را جمع می‌کنیم: Q=Q1+Q2+Q3+Q4=303170 J≈303 kJQ=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4=303170\,\mathrm{J}\approx303\,\mathrm{kJ}. تنها استفاده از رابطهٔ گرمای تغییر دما کافی نبود، چون ذوب و تبخیر هم انرژی می‌خواهند.

جواب: گرمای کل موردنیاز برابر با Q=303170 J≈303 kJQ=303170\,\mathrm{J}\approx303\,\mathrm{kJ} است و چون ماده گرما می‌گیرد، علامت آن مثبت است.

نکات مهم

  • نام تغییر حالت را از حالت آغازین و پایانی تشخیص می‌دهیم؛ در ذوب و انجماد مادهٔ خالص بلورین در فشار ثابت، گرما مبادله می‌شود اما دما ثابت می‌ماند.
  • گرمای تغییر دما با Q=mcΔθQ=mc\Delta\theta و گرمای تغییر حالت با Q=±mLQ=\pm mL محاسبه می‌شود؛ برای خود ماده، ذوب و تبخیر مثبت و انجماد و میعان منفی‌اند.
  • تبخیر سطحی از سطح مایع و پیش از نقطهٔ جوش رخ می‌دهد، اما جوشیدن سراسر مایع را درگیر می‌کند و افزایش فشار، نقطهٔ جوش را بالا می‌برد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۱۱۱ تا ۱۱۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ـ۵ روش‌های انتقال گرما

در این درس یاد می‌گیری تابش گرمایی چگونه انرژی را منتقل می‌کند، چه عواملی بر آن اثر دارند و چگونه می‌توان از آن برای آشکارسازی اجسام، اندازه‌گیری دما و توضیح سردشدن استفاده کرد.

پیش از شروع

اگر دستت را بدون تماس، زیر یک لامپ رشته‌ای روشن بگیری، گرم می‌شود؛ اما هوای گرم رو به بالا می‌رود! پس انرژی چگونه به دستت می‌رسد؟

لامپ داغ، انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیسی هم گسیل می‌کند و دستت با جذب این امواج گرم می‌شود. این روش انتقال انرژی، تابش گرمایی است و برخلاف رسانش و همرفت، برای انتقال به محیط مادی نیاز ندارد.

گرما بدون تماس

گرما بدون تماس

چرا زیر لامپ رشته‌ای روشن، بدون تماس با آن، احساس گرما می‌کنی؟ هوا رسانای خوبی نیست و جریان هوای گرمِ اطراف لامپ هم رو به بالا می‌رود، نه به سمت دست تو در پایین. پس برای توضیح این تجربه باید راه دیگری را بشناسیم: تابش گرمایی.

هر جسم به دلیل دمای خود، انرژی را به شکل امواج الکترومغناطیسی گسیل می‌کند؛ یعنی این امواج را از خود به اطراف می‌فرستد. وقتی دستت بخشی از تابش لامپ را جذب می‌کند، انرژی دریافت می‌کند و گرم می‌شود. برای این انتقال، نه تماس مستقیم لازم است و نه جابه‌جایی هوا؛ تابش حتی از فضای خالی هم عبور می‌کند. انرژی خورشید نیز به همین روش به زمین می‌رسد.

نکتهٔ مهم این است که تابش گرمایی فقط مخصوص اجسام خیلی داغ یا درخشان نیست؛ بدن تو و وسایل اتاق هم به دلیل دمای خود تابش می‌کنند، حتی اگر هیچ نوری از آن‌ها نبینی.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۵

دیدن تابش نامرئی

دیدن تابش نامرئی

اگر در تاریکی دستت را نگاه کنی، آن را درخشان نمی‌بینی؛ اما دستت همچنان تابش گرمایی گسیل می‌کند! ندیدن تابش، به معنی نبودن آن نیست. در دماهای زیر حدود 500∘C500^\circ\mathrm{C}، تابش گرمایی عمدتاً از نوع فروسرخ است؛ چشم ما این تابش را نمی‌بیند.

برای آشکارسازی فروسرخ از دمانگار استفاده می‌کنند. تصویر حاصل از آن «دمانگاشت» نام دارد. دستگاه، اطلاعات تابش دریافتی را به تصویری دیدنی تبدیل می‌کند. در دمانگاشت کتاب، ناحیه‌های گرم‌تر قرمز و ناحیه‌های سردتر آبی نشان داده شده‌اند. این رنگ‌ها نمادین‌اند؛ یعنی پوست واقعاً قرمز یا آبی نشده است!

مثلاً برای پیدا کردن بخش گرم‌ترِ سطح یک وسیله، دمانگاشت کمک می‌کند تفاوت دماها را ببینیم؛ حتی اگر آن بخش‌ها با چشم معمولی هم‌رنگ به نظر برسند. پس دمانگار تابشی را آشکار می‌کند که چشم ما به‌تنهایی قادر به دیدنش نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۶

سطح جسم چه نقشی دارد؟

سطح جسم چه نقشی دارد؟

دو ظرف با دما و مساحت سطح یکسان را تصور کن؛ سطح یکی تیره و مات است و سطح دیگری روشن، صاف و درخشان. آیا این دو در مدت یکسان، انرژی یکسانی تابش می‌کنند؟ نه؛ ویژگی‌های سطح هم بر تابش گرمایی اثر دارند.

سطح تیره، ناصاف و مات معمولاً بیشتر از سطح روشن، صاف و درخشان انرژی تابش می‌کند. پس برای مقایسهٔ اثر سطح، باید دما و مساحت را یکسان نگه داریم؛ وگرنه تفاوت تابش ممکن است به این عوامل مربوط باشد، نه فقط به سطح.

در آزمایش مکعب لسلی، داخل مکعب آب داغ می‌ریزند. وجه‌های مکعب مساحت و تقریباً دمای یکسان، اما پوشش‌های متفاوت دارند. مقایسهٔ تابش آن‌ها نشان می‌دهد که یکسان‌بودن دما به‌تنهایی به معنی یکسان‌بودن تابش نیست. مثلاً اگر بدنهٔ دو ظرف چای فقط در پوشش سطح تفاوت داشته باشد، سهم تابش در از‌دست‌دادن انرژی آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد؛ البته سردشدن کلی به روش‌های دیگر انتقال گرما هم بستگی دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۶

دماسنجی از راه دور

دماسنجی از راه دور

حتماً دیده‌ای که برای اندازه‌گیری دمای پیشانی، گاهی دستگاهی را نزدیک آن می‌گیرند، بی‌آنکه به پوست بچسبانند. این دستگاه چگونه از دمای بدن باخبر می‌شود؟

بدن، مثل هر جسم دیگر، به دلیل دمای خود تابش گرمایی گسیل می‌کند. دستگاه این تابش را دریافت می‌کند و از اطلاعات آن برای تعیین دما کمک می‌گیرد؛ پس لازم نیست با بدن تماس داشته باشد و با آن هم‌دما شود.

به اندازه‌گیری دما با استفاده از تابش گرمایی، تب‌سنجی و به ابزار آن تب‌سنج می‌گویند. کاربرد این روش فقط بررسی تب نیست؛ برای اندازه‌گیری دمای جسم داغی که تماس با آن دشوار یا خطرناک است هم می‌توان از آن استفاده کرد.

تفاوت را به خاطر بسپار: دمانگار تصویری از ناحیه‌های گرم‌تر و سردتر می‌سازد، اما تب‌سنج برای اندازه‌گیری دمای جسم بدون تماس به کار می‌رود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۷

تابش می‌تواند سرد کند

تابش می‌تواند سرد کند

تابش همیشه باعث گرم‌شدن نمی‌شود! هر جسم هم تابش گسیل می‌کند و هم بخشی از تابش محیط را جذب می‌کند. برای فهمیدن اثر این تبادل، باید انرژیِ دریافتی و ازدست‌رفته را با هم مقایسه کنیم: اگر انرژیِ گسیل‌شده بیشتر از انرژیِ تابشیِ جذب‌شده باشد، جسم در مجموع از راه تابش انرژی از دست می‌دهد و سرد می‌شود.

مثلاً کاسه‌ای کم‌عمق از آب را در یک شب صاف بیرون بگذاریم؛ کف و اطراف آن عایق باشد و روی آن باز بماند. در این شرایط می‌توان آسمان را مانند سطحی بسیار سرد در نظر گرفت. آب به سوی آسمان تابش فروسرخ می‌فرستد و از آن هم تابش دریافت می‌کند، اما ممکن است انرژیِ بیشتری بفرستد تا بگیرد.

به همین دلیل، حتی وقتی دمای هوا کمی بالاتر از نقطهٔ انجماد است، آب ممکن است آن‌قدر انرژی از دست بدهد که یخ بزند. پس دمای هوا تنها عامل تعیین‌کنندهٔ سردشدن آب نیست؛ تبادل تابشی هم مهم است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۷

مثال حل‌شده

طبق توضیح تصویر کتاب، بدن فردی در محیط خنک‌تر با آهنگ خالص حدود 70 W70\,\mathrm{W} از راه تابش گرما از دست می‌دهد. اگر این آهنگ ثابت بماند، بدن در مدت 1 min1\,\mathrm{min} چه مقدار انرژی خالص از راه تابش از دست می‌دهد؟

  1. آهنگ خالص اتلاف انرژی، تفاوت انرژی گسیل‌شده و جذب‌شده در هر ثانیه است؛ پس P=70 W=70 J/sP=70\,\mathrm{W}=70\,\mathrm{J/s}.

  2. زمان را به ثانیه تبدیل می‌کنیم: t=1 min=60 st=1\,\mathrm{min}=60\,\mathrm{s}.

  3. برای آهنگ ثابت، مقدار انرژی ازدست‌رفته برابر آهنگ اتلاف ضرب در زمان است: Eازدست‌رفته=PtE_{\text{ازدست‌رفته}}=Pt.

  4. جای‌گذاری می‌کنیم: Eازدست‌رفته=(70 J/s)(60 s)=4200 J=4.2 kJE_{\text{ازدست‌رفته}}=(70\,\mathrm{J/s})(60\,\mathrm{s})=4200\,\mathrm{J}=4.2\,\mathrm{kJ}. این مقدار، انرژی خروجی خالص است، نه کل انرژی گسیل‌شده.

جواب: بدن در این مدت 4200 J4200\,\mathrm{J}، یعنی 4.2 kJ4.2\,\mathrm{kJ}، انرژی خالص از راه تابش از دست می‌دهد.

نکات مهم

  • هر جسم به دلیل دمای خود تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کند و اگر انرژی تابشی گسیل‌شده‌اش از انرژی تابشی جذب‌شده بیشتر باشد، بر اثر تابش سرد می‌شود.
  • مقدار تابش گرمایی به دما، مساحت و ویژگی‌های سطح بستگی دارد؛ در شرایط یکسان، سطح تیره و مات بیشتر از سطح روشن و درخشان تابش می‌کند.
  • تابش گرمایی در دماهای زیر حدود 500∘C500^\circ\mathrm{C} عمدتاً فروسرخ است؛ دمانگار آن را آشکار می‌کند و تب‌سنج از تابش جسم برای اندازه‌گیری دمای بدون تماس بهره می‌گیرد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۶ · صفحهٔ ۱۱۷ تا ۱۲۶ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

۴ـ۶ قوانین گازها

در این درس یاد می‌گیری با تشخیص کمیت‌های ثابت و استفاده از دمای کلوین و فشار مطلق، تغییرات فشار، حجم، دما و مقدار گاز را با قوانین گازها پیش‌بینی و محاسبه کنی.

پیش از شروع

چرا گرم‌شدن گاز در یک قوطی افشانه ممکن است باعث ترکیدن آن شود، اما در یک سرنگ با پیستون آزاد، باعث عقب‌رفتن پیستون می‌شود؟

گاز هنگام گرم‌شدن، بسته به اینکه محفظه به آن اجازۀ تغییر حجم بدهد یا نه، رفتار متفاوتی نشان می‌دهد. در قوطیِ بسته فشار بیشتر می‌شود، اما در سرنگ با پیستون آزاد، گاز می‌تواند با افزایش حجم جا باز کند؛ پس باید ببینیم کدام کمیت ثابت مانده است.

فشار ثابت؛ جا باز کردن گاز

فشار ثابت؛ جا باز کردن گاز

هوای محبوس در سرنگی را تصور کن که راه خروجش بسته است، اما پیستون آن آزادانه حرکت می‌کند. با گرم‌شدن هوا، پیستون عقب می‌رود و گاز فضای بیشتری می‌گیرد؛ در این وضعیت فشار تقریباً ثابت می‌ماند و مقدار گاز هم تغییر نمی‌کند.

قانون شارل می‌گوید برای مقدار معینی گاز در فشار ثابت، حجم با دمای کلوین متناسب است:

VT=ثابت⇒V1T1=V2T2\frac{V}{T}=\text{ثابت}\qquad\Rightarrow\qquad\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}

یعنی اگر دمای کلوین دو برابر شود، حجم هم دو برابر می‌شود. هنگام سردشدن هم حجم کاهش می‌یابد.

اما چرا روی کلوین تأکید می‌کنیم؟ چون نسبت دماهای سلسیوس، نسبت درست تغییر حجم را نشان نمی‌دهد. پیش از استفاده از قانون، دما را تبدیل کن:

T=θ+273T=\theta+273

در این رابطه، θ\theta مقدار دما برحسب درجهٔ سلسیوس و TT مقدار آن برحسب کلوین است. پس پیش از نوشتن نسبت‌ها، این سه مورد را بررسی کن: مقدار گاز ثابت، فشار ثابت، دما به کلوین.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۸

حجم ثابت؛ افزایش فشار

حجم ثابت؛ افزایش فشار

اگر گاز در ظرفی محکم و دربسته باشد، با گرم‌شدن نمی‌تواند جای بیشتری بگیرد. مولکول‌ها تندتر حرکت می‌کنند و برخوردهایشان با دیواره، فشار بیشتری ایجاد می‌کند. هشدارِ گرم‌نکردن قوطی افشانه هم به همین موضوع مربوط است؛ این آزمایش را انجام نده!

برای مقدار ثابتی گاز در حجم ثابت، قانون گی‌لوساک می‌گوید فشار با دمای کلوین متناسب است:

PT=ثابت⇒P1T1=P2T2\frac{P}{T}=\text{ثابت}\qquad\Rightarrow\qquad\frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}

یعنی اگر دمای کلوین دو برابر شود، فشار مطلق هم دو برابر می‌شود؛ نه اینکه با دو برابر شدن دمای سلسیوس چنین اتفاقی بیفتد.

اما یک نکتۀ مهم: فشارسنج لاستیک معمولاً اختلاف فشار داخل و هوای بیرون را نشان می‌دهد. این عدد، فشار پیمانه‌ای یا PgP_g است. در قانون گازها باید فشار مطلق را به کار ببریم:

P=Pg+P0P=P_g+P_0

در این رابطه، P0P_0 فشار هوای محیط است. پس پیش از جای‌گذاری، هم دما را به کلوین تبدیل کن و هم مطمئن شو فشار، مطلق است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۹

دمای ثابت؛ فشار و حجم وارونه

دمای ثابت؛ فشار و حجم وارونه

یک سرنگِ بدون سوزن را تصور کن که راه خروج هوایش بسته است. اگر پیستون را آرام به داخل فشار بدهیم و دمای هوا ثابت بماند، همان مقدار هوا در فضای کوچک‌تری جا می‌گیرد و فشارش بیشتر می‌شود.

قانون بویل می‌گوید برای مقدار ثابتی گاز، در دمای ثابت، فشار و حجم رابطۀ وارون دارند. یعنی با افزایش حجم، فشار کاهش می‌یابد و با کاهش حجم، فشار افزایش پیدا می‌کند؛ طوری که حاصل‌ضرب آن‌ها ثابت می‌ماند:

PV=ثابتPV=\text{ثابت}

پس برای مقایسۀ دو حالت داریم:

P1V1=P2V2P_1V_1=P_2V_2

منظور از فشار در این رابطه، فشار مطلق است. «وارون» را با «مستقیم» اشتباه نگیر: اگر حجم نصف شود، فشار دو برابر می‌شود، نه نصف!

پیش از استفاده از این قانون، دو چیز را بررسی کن: آیا مقدار گاز ثابت مانده است؟ آیا دما ثابت است؟ اگر گاز نشت کند یا دمایش تغییر کند، نمی‌توان بی‌درنگ از این رابطه استفاده کرد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۰

گاز بیشتر، حجم بیشتر

گاز بیشتر، حجم بیشتر

وقتی در یک بادکنک هوا می‌دمی، تعداد مولکول‌های درون آن بیشتر می‌شود و بادکنک جا باز می‌کند. برای بیان دقیق این رابطه باید دما و فشار ثابت بمانند؛ این شرط در قانون آووگادرو مهم است.

شمردن تک‌تک مولکول‌ها عملی نیست؛ پس مقدار گاز را با «مول» بیان می‌کنیم. هر مول گاز دارای 6.02×10236.02\times10^{23} مولکول است. این تعداد را عدد آووگادرو، با نماد NAN_{\mathrm A}، می‌نامیم. اگر تعداد مول‌ها nn و تعداد مولکول‌ها NN باشد، داریم:

N=nNAN=nN_{\mathrm A}

قانون آووگادرو می‌گوید در دما و فشار یکسان، حجم گاز با تعداد مول آن متناسب است:

Vn=ثابت\frac{V}{n}=\text{ثابت}

یعنی با دو برابر شدن تعداد مول‌ها، حجم هم دو برابر می‌شود؛ البته فقط وقتی دما و فشار تغییر نکنند. این قانون به نوع گاز وابسته نیست: حجم‌های مساوی از گازهای مختلف در دما و فشار یکسان، تعداد مولکول‌های برابری دارند، نه لزوماً جرم‌های برابر.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۱

یک قانون برای همۀ حالت‌ها

یک قانون برای همۀ حالت‌ها

اگر گازِ محبوس در یک استوانه هم گرم شود و هم پیستونش جابه‌جا شود، دیگر نمی‌توانیم فشار یا حجم را ثابت فرض کنیم. اینجا یک رابطۀ کلی به کمکمان می‌آید:

PV=nRTPV=nRT

این قانون گازهای آرمانی است. گازِ به‌اندازۀ کافی رقیق، که مولکول‌هایش از هم دورند و تأثیر کمی بر یکدیگر دارند، با این قانون به‌خوبی توصیف می‌شود.

در این رابطه، nn تعداد مول و R=8.314 J/(mol⋅K)R=8.314\,\mathrm{J/(mol\cdot K)} ثابت جهانی گازهاست. برای استفاده از این مقدارِ RR، فشار مطلق را برحسب Pa\mathrm{Pa}، حجم را برحسب m3\mathrm{m^3} و دما را برحسب K\mathrm{K} وارد می‌کنیم.

اگر گازی وارد یا خارج نشود، nn ثابت می‌ماند؛ پس از قانون بالا نتیجه می‌گیریم:

P1V1T1=P2V2T2\displaystyle \frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}

این رابطه برای مقایسۀ دو حالت گاز است، حتی وقتی فشار، حجم و دما هم‌زمان تغییر کنند. در این مقایسه، واحدهای فشار و حجم در دو طرف باید یکسان باشند؛ دما همچنان باید کلوین و فشار، مطلق باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۲

مثال حل‌شده

مقدار معینی گاز آرمانی در استوانه‌ای بدون نشت، در دمای 27∘C27^\circ\mathrm{C} و حجم 4 L4\,\mathrm{L} قرار دارد. فشارسنجِ پیمانه‌ای عدد 2 atm2\,\mathrm{atm} را نشان می‌دهد. اگر دما به 327∘C327^\circ\mathrm{C} و حجم به 6 L6\,\mathrm{L} برسد، فشارسنج چه عددی نشان می‌دهد؟ فشار محیط ثابت و برابر 1 atm1\,\mathrm{atm} است.

  1. ابتدا دماها را به کلوین تبدیل می‌کنیم: T1=(27+273) K=300 KT_1=(27+273)\,\mathrm{K}=300\,\mathrm{K} و T2=(327+273) K=600 KT_2=(327+273)\,\mathrm{K}=600\,\mathrm{K}.

  2. فشار اولیه باید مطلق باشد، پس فشار محیط را اضافه می‌کنیم: P1=Pg1+P0=2+1=3 atmP_1=P_{g1}+P_0=2+1=3\,\mathrm{atm}.

  3. چون مقدار گاز ثابت است و دما و حجم هر دو تغییر می‌کنند، می‌نویسیم: P1V1T1=P2V2T2\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}.

  4. فشار مطلق نهایی را حساب می‌کنیم: P2=P1V1V2T2T1=(3 atm)×46×600300=4 atmP_2=P_1\frac{V_1}{V_2}\frac{T_2}{T_1}=(3\,\mathrm{atm})\times\frac{4}{6}\times\frac{600}{300}=4\,\mathrm{atm}. چون از نسبت حجم‌ها استفاده کردیم، یکسان بودن واحد آن‌ها کافی است.

  5. سؤال عدد فشارسنج را می‌خواهد، نه فشار مطلق؛ بنابراین فشار محیط را کم می‌کنیم: Pg2=P2−P0=(4−1) atm=3 atmP_{g2}=P_2-P_0=(4-1)\,\mathrm{atm}=3\,\mathrm{atm}.

  6. پاسخ معقول است: دمای کلوین دو برابر شده، ولی حجم کمتر از دو برابر شده است؛ پس فشار مطلق باید از مقدار اولیه بیشتر شود.

جواب: فشارسنج در پایان 3 atm3\,\mathrm{atm} را نشان می‌دهد.

نکات مهم

  • برای مقدار ثابت گاز، در فشار ثابت نسبت V/TV/T، در حجم ثابت نسبت P/TP/T و در دمای ثابت حاصل‌ضرب PVPV ثابت می‌ماند.
  • در دما و فشار یکسان، حجم با تعداد مول متناسب است و قانون PV=nRTPV=nRT این رابطه و قوانین دیگر را برای گاز رقیق یکپارچه می‌کند.
  • در محاسبات، دما را به کلوین و فشار را به فشار مطلق تبدیل کن و هنگام استفاده از R=8.314 J/(mol⋅K)R=8.314\,\mathrm{J/(mol\cdot K)}، فشار و حجم را برحسب Pa\mathrm{Pa} و m3\mathrm{m^3} قرار بده.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۴ فیزیک دهم ریاضی)

درس‌های فصل ۴ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۴ فیزیک دهم ریاضی · رایگان