گرما

  • فیزیک
  • 19 شهریور 1396
  • این مورد را ارزیابی کنید
    (0 رای‌ها)

 

گرما چیست ؟


 

گرما:

 صورتي از انرژي است كه در اثر اختلاف دما از جسم گرم به جسم سرد منتفل مي شود.
واحدا اندازه گيري گرما ژول (J) است ولي از واحدهاي ديگر چون كالري (Cal) و كيلوكالري(Kcal) نيز استفاده مي شود.

تعريف كالري:

 مقداري گرمايي است كه به يك گرم از جسم داده مي شود تا دماي آن 10C افزايش يابد.


نكته: هر كيلو كالري برابر 1000 كالري است. 1kcal=1000cal
نكته: هر كالري معادل 18/4 ژول مي باشد.
 


 

انرژي دروني:

 به مجموعه ي انرژي هاي ذرات سازنده ي هر ماده انرژي دروني آن ماده مي گويند.
 

عوامل موثر بر انرژي دروني:
1- تعداد ذرات سازنده ي هر ماده.
 

2-   
 

نكته1: هر چه ذرات سازنده ي يك ماده بيش تر و انرژي هر ذره ي آن زيادتر باشد، انرژي دروني آن ماده بيش تر است.


نكته2: انرژي پتانسيل هر يك از ذرات سازنده ي هر ماده در اثر نيرويي است كه از طرف ذرات اطراف به آن وارد مي شود، به وجود مي آيد.

اثرات گرما:


1- تغيير ماده:

 گرما مي تواند دماي اجسام را تغيير دهد يعني باعث افزايش دماي اجسام مي گردد.
 

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

 گرما(غير از موارد استثنايي) باعث حجم اجسام مي شود. يعني باعث مي شود حجم جسم بيش تر شود.
 

3- تغيير حالت:

 گرما مي تواند سبب تغيير حالت اجسام شود.


هريك از تغيير حالت هاي زير بر اثر وجود يا عدم وجود گرما در اجسام رخ مي دهد:


الف) ذوب: تبديل جامد به مايع در اثر گرفتن گرما


ب) انجماد: تبديل مايع به جامد بر اثر از دست دادن گرما


ج) تبخير: تبديل مايع به بخار (گاز) در اثر گرفتن گرما


د) ميعان: تبديل گاز به مايع در اثر از دست دادن گرما


ه) تصعيد(فرازش): فرازش تبديل جامد به بخار در اثر گرفتن گرما


و) چگالش (تبريد): تبديل بخار (گاز) به جامد در اثر از دست دادن گرما
 

4- گرما باعث افزايش سرعت واكنش هاي شيميايي مي شود.


5- گرما باعث مي شود چگالي(جرم حجمي) فلزات تغيير كند.
 

6- گرما را مستقيما مي توان به انرژي الكتريكي تبديل كرد.
 


نكته: در انتقال گرما ازجسم گرم به جسم سرد، انرژي دروني جسم گرم كاهش يافته و انرژي دروني جسم سرد افزايش مي يابد.
 

انرژي دروني يك جسم مي تواند از راههاي زير افزايش يابد:


1- انجام كار
2- انتقال انرژي گرمايي
3- به هر دو طريق

دما: دما يك كميت نسبي و مقايسه اي است كه ميزان گرمي و سردي اجسام را نشان مي دهد.


نكته: دما را با دستگاهي به نام دماسنج يا ترمومتر اندازه گيري مي كنند.
دماسنج ها انواع متفاوتي دارند ولي متداول ترين آن ها دماسنج هاي جيوه اي و الكلي است كه بر اساس انبساط مايعات (تغيير حجم مايعات) عمل مي كند.
 

مقياس هاي اندازه گيري دما:


1- دماسنج سلسيوس(سانتي گراد):

 در اين دماسنج نقطه ذوب يخ خالص صفر و نقطه ي جوش آب خالص صد انتخاب شده است و فاصله ي بين صفر تا صد به صد قسمت مساوي تقسيم شده است.
نكته:دما بر حسب درجه سانتي گراد را نماد
Ө (تتا) نشان مي دهند.
 

2- دماي مطلق (كلوين) Tk :

در اين دماسنج نقطه ذوب يخ 273 ونقطه جوش آب 373 وفاصله بين اين دو عدد به 100 قسمت مساوي تقسيم شده است.
 

3- فارنهايت (F) :

در اين دماسنج نقطه ذوب يخ 32 و نقطه جوش آب 212 انتخاب شده و فاصله ي بين اين دو عدد به 180 درجه تقسيم شده است.
 

4- رئومور (R):

در اين دماسنج نقطه ذوب يخ صفر و نقطه جوش آب 80 انتخاب شده و فاصله بين اين دو عدد به 80 قسمت تقسيم شده است.
 

رابطه بين دما در دماسنج هاي متفاوت:


براي تبديل هر يك از مقياس هاي اندازه گيري دما به يكديگر مي توان از رابطه ي مقابل استفاده كرد:
 


 

مثال: دماسنج سانتي گراد دماي جسمي را 20 درجه سانتي گراد نشان مي دهد. دماسنج فارنهايت دماي همين جسم را چند درجه نشان مي دهد؟
 


براي تبديل دما برحسب درجه سانتي گراد به مقياس هاي ديگر از روابط زير نيز مي توان استفاده كرد:
 

دماي مطلق T = Ө + ۲۷۳

فارنهايت F = ۱.۸c + ۳۲

رئومور R = ۰.۸c


گرماي نهان:
هنگام تغيير حالت دماي ماده تغيير نمي كند. در اين حالت گرمايي كه جسم مي گيرد صرف تغيير حالت آن شده و در جسم ذخيره مي شود اين گرما را گرماي نهان مي نامند. يكاي اندازه گيري گرماي نهان ژول بر كيلوگرماست.
 

گرماي نهان ذوب :

 گرمايي كه يك جسم جامد در نقطه ذوب مي گيرد تا درهمان دما از حالت جامد به مايع تبديل شود.
 

گرماي نهان انجماد:

 مقدار گرمايي كه مايع در نقطه انجماد از دست مي دهد تا در همان دما از مايع به جامد تبديل شود.
 

گرماي نهان تبخير :

 مقدار گرمايي كه يك مايع در نقطه جوش خود مي گيرد تا در همان دما به بخار تبديل شود.
 

گرماي نهان ميعان :

 مقدار گرمايي كه بخار در دماي ميعان از دست مي دهد تا در همان دما به مايع تبديل شود.
 

راههاي انتقال گرما:

معمولا گرما از جاي گرمتر به جاي سردتر منتقل مي شود. اين گرما به سه روش شارش مي يابد:


1- رسانش (رسانايي)


2- همرفت (كنوكسيون)


3- تابش

1- رسانش(رسانايي)
اگر سر يك ميله فلزي را در كنار يك جسم گرم قرار دهيم، طرف ديگر ميله گرم مي شود، علت گرم شدن ميله آن است كه مولكولهاي مجاور چشمه ي گرم، گرم شده و با دامنه ي بيش تري ارتعاش مي يابند، در نتيجه هر مولكول به مولكول مجاور خود ضربه زده و دامنه ارتعاش آن را بيش تر مي كند، به اين ترتيب گرما در داخل جسم منتشر مي شود.
 


نكته: مولكولهاي گرم منتقل نمي شوند بلكه انرژي خود را به صورت انرژي جنبشي به مولكولهاي سرد مجاور انتقال مي دهند به عبارت ديگر در روش رسانايي ماده ثابت است و گرما از مولكولي به مولكول ديگر منتقل مي شود.


-انتقال گرما به وسيله مولكولها، اتم ها و الكترون هاي آزاد يك جسم به مولكولها و اتم هاي ديگر آن جسم را رسانش گرما مي گويند.


نكته: اين روش در هر سه حالت جامد،مايع و گاز صورت مي گيرد، اما انتقال گرما در جامدات بيش تر صورت مي گيرد زيرا هر چه مولكول ها به هم نزديك تر باشند، گرما با سرعت بيش تري در ماده منتقل مي شود.
 


قابليت رسانش جامدات به جنس آن ها بستگي دارد. به طوريكه در فلزات رسانش بسيار قوي و سريع است به همين دليل آن ها را رساناي گرما مي نامند ولي موادي مانند شيشه، چوب، پلاستيك گرما را بسيار آهسته منتقل مي كنند به همين دليل آن ها را نارسانا(عايق) مي نامند.
در بين فلزات رسانايي نقره، مس، طلا، آلومينيوم بيش تر از بقيه است.
مايعات به خصوص آب معمولا رساناي ضعيف گرما هستند.(جيوه فلز مايع و فلزات مذاب رسانا هستند.)
گازها و از جمله هوا نيز رساناي ضعيف گرما هستند.
 


توجه: فلزات رساناي خوبي هستند، زيرا در پديده رسانش وجود الكترون هاي آزاد بسيار موثر است. فلزات داراي الكترون هاي آزاد بسياز زيادي هستند. هنگامي كه به نقطه اي از فلز گرما بدهيم الكترون هاي آزاد انرژي جنبشي بيش تري به دست مي آورند و سريع تر حركت مي كنند، الكترون هاي سريع حامل انرژي، از قسمت هاي گرم فلز به قسمت هاي سرد آن پخش مي شوند و در برخورد با مولكولهاي فلز، انرژي جنبشي خود را به آن منتقل مي كنند، با اين فرايند انرژي گرمايي به سرعت از قسمت هاي گرم به قسمت هاي سرد منتقل مي شود.
 

2- همرفت(كنوكسيون)
مي خواهيم ظرف آبي را به وسيله چراغي گرم كنيم، اگر شعله به يك قسمت از ظرف آب نزديك باشد، پس از مدتي مشاهده خواهيم كرد تمام آب به جوش مي آيد. علت اين پديده آن است كه آب در مكاني كه گرما مي گيرد منبسط و سبك مي شود و به طرف بالا حركت مي كند و آب سرد كه سنگين تر است جاي آن را مي گيرد. اين عمل آن قدر ادامه مي يابد تا آنكه همه ي آب گرم شده و سرانجام به جوش مي آيد.
عملي كه در آن انتقال گرما از راه انتقال مولكول ها صورت مي گيرد، همرفتي يا جابه جايي ناميده مي شود.
نكته: در مايعات و گازها(سيالات) كه مولكول ها به آساني مي توانند جابه جا شوند، گرما از راه همرفتي منتقل مي شود.
وجود جريان هاي گرم و سرد دريايي و انواع بادها در اثر جريان همرفتي به وجود مي آيد.
دستگاه آب گرم كن (شوفاژ)، دودكش كارخانه ها، لامپ هاي گازي بر اساس همين پديده عمل مي كنند.
 


توجه: در روش انتقال گرما به روش همرفت، خود ماده با جابه جا شدن گرما را منتقل مي كند.
نكته: در جريان همرفتي شارش مايع يا گاز بر اثر تغيير چگالي است.

چگالي: چگالي يك ماده جرم يك سانتي متر مكعب از آن ماده است.
 

چگالي به دو عامل بستگي دارد:


1- جرم جسم(m) چگالي با جرم رابطه مستقيم دارد. يكاي اندازه گيري جرم Kg (كيلوگرم) يا گرم (g) است.
2- حجم جسم (V) چگالي با حجم جسم رابطه عكس دارد. يكاي اندازه گيري حجم متر مكعب  () يا سانتي متر مكعب است.
چگالي
ρ از رابطه زير بدست مي آيد.
 


 

يكاي اندازه گيري چگالي :

الف) اگر جرم بر حسب Kg و حجم بر حسب باشد واحد چگالي (كيلو گرم بر متر مكعب )است.

ب) اگر جرم برحسب گرم(g) و حجم بر حسب سانتي مترمكعب باشد واحد چگالي است.
براي تبديل به  مقدار چگالي را بر 1000 تقسيم مي كنيم.
براي تبديل به مقدار چگالي را در 1000 ضرب مي كنيم.


 

با توجه به مفهوم چگالي، علت جريان همرفتي را توضيح مي دهيم،
وقتي ماده اي گرم مي شود، منبسط مي شود يعني فاصله ي بين مولكولهاي آن بيش تر شده در نتيجه چگالي آن كاهش مي يابد در آن قسمت به طرف بالا حركت مي كند. در اين هنگام مايعات اطراف جاي آن را مي گيرند و به تدريج تمام مايع گرم مي شود.
 

شرايط لازم براي ايجاد جريان همرفتي :


1- ماده مايع يا گاز باشد.
2- بين دو نقطه اختلاف دما وجود داشته باشد يعني قسمتي از آن گرم و قسمتي سرد باشد.
3- قسمت گرم بايد پايين تر از قسمت سرد باشد.

تابش: در انتقال گرما به روش تابش، نيازي به وجود ماده نيست، در اين طريق گرما به صورت نور يا امواج الكترومغناطيسي از چشمه هاي داغ و ملتهب به اطراف گسيل مي شود.
يك دسته از امواج الكترومغناطيسي، پرتوهاي فرو سرخ هستند اين پرتوها وقتي به جسمي بتابند گرماي زيادي توليد مي كنند.
در تابش ماده منتقل نمي شود لذا نيازي به محيط مادي يا مولكولهايي كه انرژي گرمايي را منتقل كنند نيست، يعني مي توانند در خلا نيز انجام گيرد.
 

چند نكته مهم:
1-
ميزان تابش گرمايي يك جسم بستگي به دماي مطلق جسم و سطح خارجي آن دارد.
2- اجسامي كه پرتوهاي گرما را خوب تابش كنند، اين پرتوها را به خوبي جذب مي كنند.
3- اجسامي كه سطح آن ها به رنگ تيره است يك تابش كننده بسيار خوب و همچنين جذب كننده بسيار خوبي نيز هستند.
4- اجسامي كه سطح آن ها بسيار صيقلي است يك تابش كننده و جذب كننده بسيار ضعيف هستند، اين اجسام بازتابنده خوب تابش هاي گرمايي هستند.

- تابش گرمايي از سطح همه اجسام و در هر دمايي صورت مي گيرد و باعث كاهش دماي آن ها مي شود.
- تابش گرمايي در سطح همه اشيا جذب شده و باعث افزايش دماي آن ها مي شود.
 

نكته: انتقال گرما به طريق تابش بسيار سريع (با سرعت نور) صورت مي گيرد اما در روش هاي رسانايي و همرفتي بسيار كند است.
سرعت انتقال گرما ازطريق همرفتي < سرعت انتقال گرما ازطريق رسانايي < انتقال سرعت گرما ازطريق تابش


گرم سازي: گرم سازي نياز به منبع گرما دارد.
 

منابع گرما در اتاق:


1- بخاري نفتي، گازي، برقي

 اين اجسام از دو طريق اتاق را گرم مي كنند:
     
الف- ايجاد جريان همرفتي در هواي اتاق
      ب- انتقال گرما از طريق تابش

2- شوفاژ

 در شوفاژ دو جريان همرفتي به وجود مي آيد:
     
الف- جريان همرفتي در آب درون لوله هاي شوفاژ
      ب- جريان همرفتي در هواي اتاق.


منابع انرژي:


1- منابع انرژي تجديد پذير(تمام نشدني):

 اين انرژي ها تا مدت ها در اختيار ما خواهند بود و اين انرژي به زودي تمام نمي شود.
مانند انرژي خورشيدي، انرژي باد، آب هاي جاري ، انرژي گرمايي درون زمين، انرژي امواج جزر و مد
 

2- منابع انرژي تجديد ناپذير (تمام شدني):

اين انرژي ها تنها يك بار قابليت مصرف دارند و منابع آن ها محدود است و پس از مدتي از بين مي روند.
سوخت فسيلي(نفت، گاز، زغال سنگ) و سوخت هاي هسته اي از اين دسته منابع هستند.

با توجه به افزايش روز به روز جمعيت و كاهش روز افزون منابع انرژي و سوخت بايد در مصرف انرژي صرفه جويي كنيم.
 

يكي راههاي صرفه جويي، جلوگيري از اتلاف گرما در خانه، مدرسه و اداره هاست.


1-
پوشاندن درزهاي در و پنجره


2- دو لايه كردن شيشه هاي پنجره


3- قراردادن لايه هاي عايق گرما در ديوارها وسقف و ...


سرد سازي:

 سردسازي معمولا با استفاده از تبخير مايعات انجام مي گيرد، زيرا هر گاه مايعي بخواهد تبخير شود، براي تبخير شدن، مقداري گرما از محيط اطراف خود جذب مي كند و اين سبب مي شود كه دماي محيط اطراف كاهش يابد.
در يخچال ها، سرد خانه ها، كولرهاي گازي و آبي نيز تبخير يك مايع سبب سرد شدن محيط داخل آن مي شود.
در يخچال مايعي به نام فريون در داخل لوله هايي كه در قسمت يخ ساز قرار دارد وارد مي شود، اين مايع گرما را از آن محيط مي گيرد و بخار مي شود، در نتيجه مواد داخل يخچال سرد مي شوند.
بخار فريون از داخل لوله به محيط خارج از يخچال منتقل مي شود، در اين موقع به وسيله ي موتور الكتريكي يخچال فشرده مي شود و گرماي خود را از دست مي دهد و دوبار به مايع تبديل مي شود و به درون يخ ساز فرستاده مي شود، اين عمل آن قدر ادامه مي يابد تا داخل يخچال كاملا سرد شود.


كولر گازي نيز مانند يخچال عمل مي كنند، قسمت سرد كولر داخل اتاق و قسمت گرم آن ها در هواي بيرون اتاق است. هنگامي كه كولر كار مي كند از هواي درون اتاق گرما گرفته و به هواي بيرون اتاق داده مي شود بنابر اين هواي اتاق چشمه سرد و هواي بيرون چشمه گرم است.
 

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

انواع ماشين هاي گرمايي:


1- درون سوز
   الف) توربيني
    ب) پيستوني
        - بنزيني: گاز داغ را بر اثر انفجار توليد مي كنند. اين گاز خارج نمي شود بلكه يك پيستون را به حركت در مي آورد.
       - ديزلي: شبيه موتورهاي بنزيني است، در موتورهاي ديزلي ابتدا به جاي مخلوط سوخت و هوا، تنها هوا وارد سيلندر مي شود، در اين حالت هوا كاملا متراكم شده و دماي آن بالا مي رود. سپس سوخت به داخل آن پاشيده مي شود، چون دماي هوا بسيار بالا است براي آتش زدن سوخت نياز به شمع جرقه زن نيست، در اين موتورها، بخشي از گرماي حاصل از انرژي سوخت، همراه دودهاي خارجي به محيط داده مي شود بنابر اين نمي توان در موتورهاي ديزلي همه گرماي حاصل از سوخت را به كار تبديل كرد.


2- برون سوز:

 در اين ماشين ها، چون گرما توسط كوره(يعني بيرون دستگاه) به آب داده مي شود اين نوع ماشين ها را برون سوز مي نامند. ماشين هاي بخار از اين دسته هستند.
ماشين بخار براي اولين بار توسط دانشمندي به نام جيمز وات اختراع شد، در اين ماشين، آب در يك مخزن در بسته (شبيه ديگ زودپز) به جوش مي آيد و مقداري بخار با فشار زياد توليد مي كنند. اين بخار از طريق يك لوله به يك استوانه(سيلندر) منتقل مي شود و پيستون را به حركت در مي آورد وقتي پيستون تا انتهاي استوانه به عقب رفت، جهت ورود بخار به استوانه عوض مي شود و در جهت مخالف به پيستون فشار مي آورد تا به طرف جلو حركت كند.


نكته: موتور همه اتومبيل ها، هواپيماهاي ملخ دار، كشتي ها، قطارها و نيروگاههاي كوچك درون سوز است.
در موتورهاي درون سوز بخشي از انرژي حاصل از سوخت، سبب حركت پيستون مي شود، اين حركت از طريق دسته و ميل لنگ به حركت دوراني تبديل مي شود، با انتقال اين حركت دوراني به چرخ هاي اتومبيل حركت مي كند. بخش ديگر انرژي از طريق رادياتور، موتور را سرد مي كند و لوله خروجي (اگزوز) مستقيما به هوا داده مي شود.

مراحل مختلف كار ماشين هاي گرمايي(موتور اتومبيل):


1- مرحله ي مكش: ابتدا مخلوطي از سوخت و هوا از طريق دريچه ي ورودي وارد يك محفظه ي استوانه اي شكل به نام سيلندر مي شود. وقتي پيستون به پايين وضعيت خود رسيد، اين دريچه بسته مي شود و مخلوط بنزين و هوا در داخل استوانه حبس مي شود.


2- مرحله ي تراكم: پيستون بالا مي آيد، مخلوط را متراكم مي كند و به حجم اوليه مي رساند. در اين وضعيت، دماي مخلوط بسيار بالا مي رود.


3- مرحله آتش گرفتن: هنگامي كه پيستون به بالاترين وضعيت خود رسيد شمع اتومبيل جرقه مي زند و مخلوط آتش مي گيرد دما و فشار آن تا مقدار زيادي بالا مي رود، در اين مرحله در اثر فشار زياد، دستگاه منبسط مي شود و پيستون را به طرف پايين مي راند.


4- مرحله خروج دود: در اين مرحله بخشي از دود حاصل از سوخت مخلوط بنزين و هوا از طريق دريچه ي خروج دود كه در اين مرحله باز مي شود، خارج مي گردد و سپس پيستون بالا آمده و بقيه ي دود حاصل از سوختن مخلوط را به بيرون مي راند، به اين ترتيب مقدار زيادي گرما به هواي بيرون داده مي شود.


موتور جت:
موتورهاي جت توان فوق العاده زيادي دارند و در هواپيما به كار مي روند.
موتور جت پيستون ندارد، اين موتورها هوا را مي مكند، آن را متراكم مي كنند سپس هوا با سوخت مخلوط مي گردد.
مخلوط سوخت و هوا در محفظه ي احتراق مشتعل شده و مي سوزد و مقدار زيادي گاز (گازهاي داغ) با فشار زياد توليد مي كنند.
اين گاز از عقب موتور جت خارج مي شود و در مسير خود، چرخ پرده دار بزرگي به نام توربين را كه در سر راه قرار دارد به حركت در مي آورد.


موتور موشك:

 موتورهاي موشك نوعي موتور جت است.
 


به بادكنك مقابل توجه كنيد:

 اگر شما بادكنك را باد وسپس رها كنيد بادكنك در اثر خروج باد از دهانه آن حركت مي كند.
هوا در يك جهت از بادكنك خارج مي شود و باعث مي شود بادكنك در جهت مخالف رانده شود.
موتورهاي موشكي و جت نيز به همين ترتيب كار مي كنند.
در اين موتورها سوخت با اكسيژن مخلوط مي شود و در محفظه ي احتراق مي سوزد در نتيجه مقدار زيادي گاز داغ با سرعت زياد از انتهاي موشك خارج مي شود و باعث حركت موشك در جهت مخالف گازهاي داغ به طرف جلو مي شود.
 


موشك ها مي توانند اكسيژن مورد نيازشان رابا خود حمل كنند، بنابر اين در خارج از جو زمين و در مسافرت هاي فضايي مورد استفاده قرار مي گيرند.
 

خواندن 22 دفعه
برای ارسال نظر وارد سایت شوید
Top
We use cookies to improve our website. By continuing to use this website, you are giving consent to cookies being used. More details…