خلاصه درس فصل ۱۰ علوم هفتم؛ درسنامه و نکات مهم

دما در زندگی ما نقش مهمی دارد: برای انتخاب لباس، گرم کردن خانه و حتی بررسی مناسب بودن محیط برای زندگی، به آن توجه می‌کنیم. وجود آب مایع هم به مناسب بودن دمای محیط وابسته است.

دما نشان می‌دهد جسم چقدر گرم یا سرد است. مثلاً دمای چای داغ از آب خنک بیشتر است. لمس کردن برای مقایسهٔ تقریبی به ما کمک می‌کند، اما نمی‌تواند عدد دقیق دما را مشخص کند. اگر پیشانی کسی گرم باشد، هنوز نمی‌دانیم دمای بدنش دقیقاً چقدر است؛ برای این کار باید اندازه‌گیری کنیم. پس «گرم به نظر رسیدن» با «دانستن دما» یکسان نیست.

دماسنج وسیلهٔ اندازه‌گیری دماست. در دماسنج الکلی یا جیوه‌ای، یک مخزن به لوله‌ای باریک وصل است. وقتی دماسنج در محیط گرم‌تری قرار می‌گیرد، مایع داخل مخزن منبسط می‌شود؛ یعنی حجم بیشتری می‌گیرد و در لوله بالا می‌رود. ارتفاع ستون مایع به ما کمک می‌کند دما را بخوانیم.

مثلاً اگر دماسنج الکلی را از محیط خنک به محیط گرم ببریم، ستون مایع بالاتر می‌رود. این بالا رفتن به معنی اضافه شدن الکل نیست؛ همان مایع، حجم بیشتری پیدا کرده است. باریک بودن لوله هم باعث می‌شود تغییر کوچک حجم، به تغییر ارتفاعی تبدیل شود که راحت‌تر دیده می‌شود.

برای اینکه ارتفاع مایع معنی مشخصی داشته باشد، دماسنج را درجه‌بندی می‌کنند. ابتدا مخزن را در مخلوط آب و یخ می‌گذارند و جای سطح مایع را با صفر مشخص می‌کنند. سپس با قرار دادن مخزن در مجاورت بخار آب در حال جوش، جای صد را علامت می‌زنند.

فاصلهٔ این دو علامت به صد قسمت مساوی تقسیم می‌شود؛ هر قسمت برابر با $1\,^\circ\mathrm{C}$ است. این مقیاس را سلسیوس می‌نامیم. در فشار یک اتمسفر، یعنی فشار هوای کنار دریاهای آزاد، آب خالص در $0\,^\circ\mathrm{C}$ یخ می‌زند و در $100\,^\circ\mathrm{C}$ می‌جوشد. بنابراین این دو نقطه، مرجع درجه‌بندی‌اند؛ نه اینکه دماسنج فقط بتواند همین دو دما را نشان دهد.

برای اندازه‌گیری درست، فقط داشتن دماسنج کافی نیست؛ باید درست از آن استفاده کنیم. مخزن دماسنج باید با جسم موردنظر تماس کافی داشته باشد. بعد صبر می‌کنیم تا ارتفاع مایع در لوله دیگر تغییر نکند و آن‌وقت عدد را می‌خوانیم.

چرا عجله نکنیم؟ دماسنج از همان لحظهٔ اول، دمای نهایی جسم را نشان نمی‌دهد و برای رسیدن به وضعیت ثابت زمان لازم دارد. هنگام خواندن هم چشم را روبه‌روی سطح بالایی ستون مایع قرار می‌دهیم، نه بالاتر یا پایین‌تر از آن. مثلاً برای سنجش دمای آب، خواندن عدد در حالی که ستون هنوز بالا می‌رود، نتیجهٔ نهایی قابل اعتمادی نمی‌دهد.

حالا یک آزمایش را در ذهن انجام بده: میخی داغ را داخل آب سرد می‌گذاریم. میخ به‌تدریج سردتر و آب گرم‌تر می‌شود. اگر اثر محیط را نادیده بگیریم، این تغییر ادامه دارد تا هر دو به یک دما برسند. دمای مشترک آن‌ها را دمای تعادل می‌گوییم.

اگر برعکس، میخ خیلی سرد را در آب گرم‌تر بگذاریم، این بار میخ گرم‌تر و آب سردتر می‌شود. پس تغییر دما به این بستگی دارد که کدام جسم در ابتدا گرم‌تر بوده است. این موضوع دلیل صبر کردن هنگام دماسنجی را هم روشن می‌کند: دماسنج و جسم باید فرصت داشته باشند هم‌دما شوند.

فرض کن میخی داغ را در آب سرد گذاشته‌ایم. پس از مدتی، آب گرم‌تر و میخ سردتر می‌شود؛ یعنی دمای آن‌ها به هم نزدیک می‌شود. این تغییر تا جایی ادامه دارد که هر دو به یک دما برسند. به این دمای مشترک، دمای تعادل می‌گوییم و دو جسم را در تعادل گرمایی می‌دانیم.

اگر برعکس، میخ خیلی سرد باشد و آب گرم‌تر، این بار میخ گرم‌تر و آب سردتر می‌شود. پس نقش «گرم» و «سرد» را جنس جسم تعیین نمی‌کند؛ باید دمای دو جسم را مقایسه کنیم. برای فکر کردن به این آزمایش، نیازی به کار با شعله یا میخ داغ در خانه نیست؛ نتیجه را ذهنی پیش‌بینی کن.

در آزمایش میخ داغ و آب سرد، میخ انرژی از دست می‌دهد و آب انرژی می‌گیرد. به انرژی‌ای که به علت اختلاف دما از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود، گرما می‌گوییم. جهت طبیعی این انتقال همیشه از جسم گرم‌تر به جسم سردتر است، نه برعکس.

مثلاً وقتی ظرف غذا را روی شعله می‌گذاریم، شعله از ظرف گرم‌تر است و به آن گرما می‌دهد. گرما را با دما یکی ندان: دما نشان می‌دهد جسم چقدر گرم یا سرد است، اما گرما دربارهٔ انتقال انرژی است. چون گرما نوعی انرژی است، یکای آن ژول با نماد $J$ است. با هم‌دما شدن دو جسم، انتقال گرما به علت اختلاف دمای آن‌ها پایان می‌یابد.

حالا از نزدیک به درون ماده نگاه کنیم: مولکول‌ها جنبش دارند. در جسم گرم‌تر، مولکول‌ها به‌طور متوسط پرجنب‌وجوش‌ترند و انرژی بیشتری دارند. در جسم سردتر، جنبش و انرژی متوسط مولکول‌ها کمتر است. واژهٔ متوسط مهم است؛ قرار نیست حرکت تک‌تک مولکول‌ها دقیقاً یکسان باشد.

وقتی آب روی شعله گرم می‌شود، انرژی دریافتی باعث افزایش جنبش مولکول‌های آب می‌شود و دمای آب بالا می‌رود. حالا دو ظرف با مولکول‌های یکسان را تصور کن که یکی داغ و دیگری سرد است. پس از تماس، جنبش مولکولی ظرف داغ کمتر و ظرف سرد بیشتر می‌شود. در تعادل گرمایی، جنبش متوسط مولکول‌ها در این دو ظرف یکسان می‌شود.

وقتی میخ داغ سرد می‌شود، انرژی آن ناپدید نشده است؛ این انرژی به آب و شاید مقداری هم به محیط اطراف منتقل شده است. قانون پایستگی انرژی می‌گوید انرژی به وجود نمی‌آید و از بین نمی‌رود، بلکه منتقل می‌شود یا شکل آن تغییر می‌کند. انتقال گرما هم از همین قانون پیروی می‌کند.

اگر در یک بررسی فرض کنیم هیچ انرژی‌ای با محیط ردوبدل نمی‌شود، انرژی‌ای که جسم گرم از دست می‌دهد، برابر انرژی‌ای است که جسم سرد می‌گیرد. اما در آزمایش واقعی، لیوان و هوای اطراف هم می‌توانند انرژی بگیرند یا بدهند. پس برای دنبال کردن انرژی، فقط نپرس «چه چیزی سرد شد؟»؛ بپرس «انرژی آن به کجا رفت؟»

وقتی قاشق سردی را در چای داغ می‌گذاری، چای انرژی از دست می‌دهد و قاشق انرژی می‌گیرد. به انرژی‌ای که به دلیل تفاوت دما منتقل می‌شود، گرما می‌گوییم؛ یکای آن هم مانند دیگر شکل‌های انرژی، ژول با نماد $J$ است.

جهت طبیعی انتقال گرما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر است. این انتقال تا رسیدن دو جسم به دمای یکسان، یعنی تعادل گرمایی، ادامه پیدا می‌کند. هم‌دما شدن به معنی توقف حرکت مولکول‌ها نیست!

در مادهٔ گرم‌تر، انرژی جنبشی متوسط مولکول‌ها بیشتر است. اگر دو ظرف با مولکول‌های یکسان، یکی گرم و دیگری سرد، در تماس قرار گیرند، جنبش متوسط مولکول‌های ظرف گرم کاهش و ظرف سرد افزایش می‌یابد. انرژی ناپدید نمی‌شود؛ از جایی به جای دیگر می‌رود.

اگر سر یک قاشق فلزی در غذای داغ باشد، دسته‌اش هم کم‌کم گرم می‌شود. در این روش، بخش گرم به بخش کناری انرژی می‌دهد و این انتقال در طول قاشق ادامه پیدا می‌کند. نام این روش رسانش است؛ لازم نیست خود ماده از سر قاشق تا دسته جابه‌جا شود.

فلزها رسانای خوب‌اند، اما توانایی همهٔ آن‌ها یکسان نیست. چوب، پشم و هوای محبوس، گرما را کندتر عبور می‌دهند و عایق به شمار می‌آیند. عایق انتقال گرما را کم می‌کند، نه اینکه آن را کاملاً متوقف کند.

هوای گیر افتاده میان الیاف پالتو به حفظ گرمای بدن کمک می‌کند. برای مقایسهٔ پارچه‌ها می‌توان ظرف‌های یکسان با مقدار و دمای اولیهٔ یکسان آب را با آن‌ها پوشاند. زمان و شرایط محیط باید برابر باشد؛ افت دمای کمتر، نشانهٔ عایق‌کاری بهتر است.

در آبِ گرم‌شونده، فقط انرژی از ذره‌ای به ذرهٔ کناری نمی‌رسد؛ خود آب هم جابه‌جا می‌شود. آب نزدیک منبع گرما گرم و منبسط می‌شود. با بیشتر شدن فاصلهٔ مولکول‌ها، چگالی آن کاهش می‌یابد و به بالا رانده می‌شود. آب خنک‌تر پایین می‌آید و جای آن را می‌گیرد. این گردش، همرفت نام دارد و در مایع‌ها و گازها رخ می‌دهد؛ لازم نیست مایع حتماً بجوشد.

هوا هم چنین رفتاری دارد. در روز، خشکی ساحل زودتر از آب دریا گرم می‌شود. هوای بالای خشکی گرم می‌شود و بالا می‌رود؛ سپس هوای خنک‌ترِ روی دریا به سوی ساحل می‌آید. این همان نسیم دریاست. پس در همرفت، جابه‌جایی ماده همراه انتقال گرماست.

رسانش و همرفت بدون ماده انجام نمی‌شوند؛ اما میان خورشید و زمین فضای تقریباً خالی وجود دارد. انرژی خورشید با تابش به ما می‌رسد؛ روشی که به محیط مادی نیاز ندارد. تابش در محیط دارای ماده هم رخ می‌دهد، مانند گرمایی که از بخاری برقی احساس می‌کنی.

همهٔ جسم‌ها انرژی تابشی منتشر می‌کنند؛ جسم گرم‌تر انرژی تابشی بیشتری می‌فرستد. وقتی تابش به جسمی برسد، بخشی جذب و بخشی بازتاب می‌شود. سطح تیره و مات معمولاً جذب بیشتری دارد، اما سطح صاف و براق بخش بیشتری را بازمی‌تاباند.

برای همین، در شرایط یکسان، آسفالت تابش خورشید را بیشتر از آینه جذب می‌کند. دقت کن: جذب بیشتر با بازتاب بیشتر یکی نیست؛ انرژی بازتاب‌شده از سطح دور می‌شود.

گاهی می‌خواهیم انتقال گرما سریع باشد و گاهی کند. رادیاتور خودرو باید انرژی موتور را به هوای بیرون بدهد. فلزی بودن به رسانش کمک می‌کند؛ سطح بزرگ، تبادل گرما را بیشتر می‌کند؛ سطح تیره به دفع تابشی کمک می‌کند و فن، هوای داغ اطراف را کنار می‌زند. در این سامانه هر سه روش انتقال گرما نقش دارند.

در خانهٔ زمستانی، برعکس، می‌خواهیم خروج گرما کمتر شود. عایق سقف و دیوار، پنجرهٔ دوجداره و درزگیرها به این کار کمک می‌کنند. تنظیم دما در محدودهٔ مناسبِ $18^\circ\mathrm{C}$ تا $21^\circ\mathrm{C}$ نیز مصرف سوخت، هزینه و آلودگی را کاهش می‌دهد. «اتلاف انرژی» یعنی انرژی از محل مورد نیاز ما خارج شده، نه اینکه نابود شده باشد.

فلاسک خلأ چند مانع متفاوت دارد: فضای تقریباً خالی میان جداره‌ها، رسانش و همرفت را در آن فاصله بسیار کم می‌کند؛ سطح نقره‌اندود با بازتاب زیاد، تبادل تابشی را کاهش می‌دهد؛ درپوش عایق هم انتقال گرما از دهانه را محدود می‌کند. این مانع‌ها کامل نیستند، پس دمای نوشیدنی برای همیشه ثابت نمی‌ماند. برای حفظ دمای نوشیدنی باید هر سه راه انتقال را محدود کرد، نه فقط یکی را.