برای دانلود 501 تست فیزیک از مبحث گرما اینجا کلیک کنید
دما کمیتی است که میزان سردی و گرمی اجسام را نشان می دهد.
به هر خاصیت قابل اندازه گیری که با تغییر دما تغییر می کند، کمیت دماسنجی گفته می شود.
به وسیله ای که با استفاده از تغییرات دماسنجی تغییرات دما را نشان می دهد، دما سنج می گوییم.
در فیزیک به مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل کلیه ذرات یک جسم را انرژی درونی می نامند . افزایش انرژی درونی هر جسم به صورت افزایش دما ظاهر می شود .
بنابر تعبیر مولکولی دما، دمای هر جسم با متوسط انرژی جنبشی مولکول های آن متناسب است .
روش های دما سنجی:
الف حس لامسه : این روش ساده ، بی دقت و تقریبی است و نمی توان عدد دقیقی به دما نسبت داد.
ب ï استفاده از دما سنج ها
جیوه ای – الکلی – پزشکی – ترموکوپل – فرینه – مقاومتی – دو فلزی و …
مقیاس های اندازه گیری دما
سلسیوس (سانتی گراد)
کلوین
فارنهایت
مدرج ساختن دما سنج جیوه ای در مقیاس سلسیوس
دما سنج را درون مقداری یخ خرد شده خالص درحال ذوب ( در فشار یک اتمسفر ) قرار می دهند.
طوری که مخزن دما سنج کاملا درون یخ قرار گیرد. پایین ترین ارتفاعی که سطح جیوه د رون لوله ثابت
بماند را با صفر درجه سلسیوس مشخص می کنند.
دما سنج را بالای سطح آب درحال جوش طوری قرار می دهند که مخزن آن در تماس کامل با بخار باشد،
بالاترین ارتفاعی که سطح جیوه درآنجا ثابت بماند را با صد درجه سلسیوس مشخص می کنند.
ویژگی های نقاط ثابت دما سنجی :
یخ خالص باشد، نا خالصی نقطه انجماد آب را پایین می آورد.
آب خالص باشد، نا خالصی نقطه جوش آب را بالا می برد.
مقیاس کلوین:
كلوين با بررسي دادههاي مربوط به حجم و دماي گازها به اين نتيجه رسيد كه كمترين دماي ممكن در طبيعت ٢٧٣- درجه سلسيوس
( يعني ٢٧٣ درجه كمتر از صفر درجه سلسيوس) مي‌باشد كه آن را صفر مطلق ناميد.
مقیاس فارنهایت :
از این مقیاس بیشتر در صنعت استفاده می شود.
درجه بندی کلوین تمام دماهای موجود در طبیعت را مثبت نشان می دهد.
اختلاف دما در هر دو مقیاس کلوین و سلسیوس برابر است .
اساس کار دما سنج های جیوه ای، الکلی و پزشکی بر انبساط مایع درون آنهاست.
مزیت های دماسنج ترموکوپل :
براي اندازه‌گيري اختلاف دماهاي بسيار كوچك حدود 001/0
درجه سانتيگراد نيز به كار مي‌رود.
برای اندازه گیری دماهای بالا تا حدود 1500 نيز مي‌توان از آن
استفاده كرد. برای این کار باید سیم های فلزی را از جنس های خاصی انتخاب
کرد که در آن دماها ذوب نشوند.
كوچك بودن اتصال‌ها باعث مي‌شود كه اتصال به سرعت به تغيير دما پاسخ دهد كه این مساله دقت اندازه‌گيري را بالا مي‌برد.
خروجی این دماسنج یک علامت الکتریکی ( جریان ) است. دراین دماسنج تغییر دمای قابل اندازه گیری باعث تغییر جریان الکتریکی
می شود و این تغییر جریان می تواند به طور مستقیم دستگاه های هشدار دهنده ناگهانی دما را به کار اندازد و یا برای ثبت کردت تغییرات پیوسته دمابه کار رود.
دانشمندان سه نوع دماسنج را به عنوان دماسنج معیار انتخاب کرده اند.
دماسنج گازی
دماسنح مقاومت پلاتینی
تف سنج( پیرومتر)
نوع ویژه ای از دماسنج های مایعی که بیشنه و کمینه دما را در یک مدت زمان معین نشان می دهد، دماسنج بیشینه – کمینه نام دارد. از این دماسنج ها معمولا در مراکز پرورش گل و گیاه ، باغداری ، هواشناسی و … استفاده می شود.
وقتی با افزایش دما یک جسم جامد منبسط می شود همه ابعاد آن به یک نسبت افزایش می یابد و تمام زوایا ثابت می مانند شکل جسم بعد از انبساط و قبل از انبساط با هم متشابه است.
اگر درون یک جسم فضای خالی باشد با افزایش دما ابعاد این فضای خالی نیز متناسب با ابعاد دیگر افزایش می یابد.
انبساط طولی
تغيير طول يك ميله با تغيير دماي آن متناسب است.
افزايش طول يك جسم به ازاي افزايش دماي معين به طول اوليه آن بستگي دارد.
عامل بعدی در ميزان افزايش طول جسم، جنس آن ماده است.
دماپا (ترموستات)
وقتي دو تيغه فلزي با جنسهاي مختلف را مطابق شكل زير، بهم جوش داده يا پرچ كنيم يك ترموستات ساخته مي‌شود. علت انحناي ترموستات اين است كه وقتي دو تيغه فلزي با جنسهاي مختلف را بهم پرچ ميكنيم در اثر تغيير دما، تيغهها به ميزان‌هاي مختلف تغيير طول مي‌يابند. بنابراين مجموعه نميتواند مستقيم باشد و در نتيجه منحني مي‌شود.
اگر تيغهها را گرم كنيم (يعني دماي تيغهها افزايش يابد) انحناي مجموعه به صورتي مي‌شود تا جسمي كه بلندتر مي‌شود (ضريب انبساط طولي بيشتري دارد) در لايه بيروني انحنا قرار گيرد.
اگر تيغهها سرد شوند (يعني دماي تيغهها كاهش يابد) انحناي مجموعه به صورتي مي‌شود تا جسمي كه كوتاهتر مي‌شود (آن جسمي كه ضريب انبساط طولي بزرگتري دارد) در لايه داخلي انحنا قرار بگيرد.
قطع و وصل شدن جريان الكتريكي در اتو و سماور برقي، قطع و وصل شدن جريان گاز (به عبارتي خاموش و روشن شدن مشعل) در آب گرمكن اتوماتيك گازي براساس انبساط طولی فلزاتی با جنس های متفاوت است .
ضریب انبساط حجمی مایع برابر افزایش حجم یکای حجم ماده به ازای يك کلوین افزایش دماست
اگر به یک ظرف محتوی مقداری مایع گرما دهیم و دمای مجموعه بالا رود با این کار هم حجم مایع و هم حجم ظرف افزایش می یابد. اگر افزایش حجم مایع را با و افزایش دمای ظرف را با نشان دهیم میزان افزایش حجم مایع که ما مشاهده می کنیم یا حجم مایع سر ریز شده از رابطه زیر به دست می آید:
افزایش دما باعث کاهش چگالی جسم می شود.
اگر جسمی در دمای مشخصی دارای چگالی باشد ، در اثر افزایش دما:
طبق رابطه چگالي با دما، هر چه دما كاهش يابد چگالي زياد مي‌گردد، بنابراين هر چه آب سردتر شود چگالي آن زياد شده و در نتيجه به عمق ظرف حاوي آب مي‌رود. بنابراين آب عمق درياچه بايستي سردتر از آب سطح درياچه باشد.
اما در سرماي شديد اول سطح آب درياچه يخ زده و بعد قسمتهاي پايين درياچه يخ ميبندد و در اغلب موارد عمق درياچه‌ها يخ نمي بندد آب يك استثناي بسيار جالب است كه كمك خيلي زيادي به زندگي آبزيان ميكند. وقتي دماي آب، مثلاً از20 درجه سلسیوس تا 4 درجه سلسیوس كاهش مييابد ، حجم آب كاهش يافته و چگالي آن افزايش مييابد و اين امر باعث پايين رفتن آب سرد و بالا آمدن آب گرم مي‌شود. اما از اين به بعد با كاهش دما، حجم آب افزايش يافته بنابراين چگالي آن كم مي‌شود. حتي وقتي آب تغيير حالت مييابد و به يخ تبديل مي‌شود باز هم حجم آن افزايش يافته و چگالي آن كم مي‌شود. بر همين اساس چگالي يخ از آب كمتر است. بنابراين يخ (يا كوههاي يخي) بر روي آب شناور مي‌شوند.
بنابر تعریف بهترین دبیران فیزیک گرمای ویژه یک جسم ، مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم از جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس تغییر کند.
مایعات در مقایسه با جامدات بالاترین گرمای ویژه را دارند و در بین مایعات آب بالاترین گرمای ویژه را دارد. این ویژگی باعث ایجاد خصوصیت هایی برای آب شده است.
حاصل ضرب جرم یک جسم در گرمای ویژه آن ظرفیت گرمایی جسم نامیده می شود و یکای آن ژول بر درجه سلسیوس است .
هر گاه دو جسم با دماهای مختلف در تماس کامل با هم قرارگیرند، دمای جسم گرمتر پایین و دمای جسم سرد تر بالا می رود، تا جایی که دمای هر دو یکسان شود. به این دما، دمای تعادل می گویند و در این حالت دو جسم با هم در تعادل گرمایی اند.
انتقال گرما از یک جسم به جسم دیگر به سبب اختلاف دما بین دو جسم است.
آهنگ مصرف انرژی گرمایی را، توان گرمایی می نامند. توان برحسب یکای ژول بر ثانیه ، ( وات ) محاسبه می شود.
اگر چند جسم متفاوت به جرم های 1 و 2 و … و گرمای ویژه 1 و 2 و … و دمای اولیه 1 و 2 و… در تماس کامل با هم قرار گیرند ، دمای تعادل بین آنها از رابطه زیر به دست می آید :
گرمایی است که جسم اول گرفته و گرمایی است که جسم دوم از دست داده است .
تبديل شدن يك جسم از يك حالت (فاز) به حالت ديگر، تغيير حالت ( يا تغيير فاز ) ميگويند.
ذوب: تبديل جامد به مايع
تبخير: تبديل مايع به گاز
انجماد: تبديل مايع به جامد
ميعان: تبديل گاز به مايع
تصعيد: تبديل جامد به بخار
چگالش: تبديل بخار به جامد
تشكيل ابر و قطرات آب بر روي شيشه يا شبنم روي برگ گياهان از مصاديق ميعان مي‌باشد.
تشكيل برف و قنديل‌هاي يخ از مصاديق انجماد مي‌باشد.
جوش آمدن آب در ظرف يا ديگ بخار لوكوموتيو و يا برخي درياچه‌ها از مصاديق تبخير است.
آب شدن يخ در ليوان شربت يا ذوب فلزات در كوره‌ها از مصاديق ذوب مي‌باشد.
نفتالين، مثالی براي تصعيد است كه در دماي اتاق از حالت جامد به گاز تبديل مي‌شود .
برفكي كه روي گياهان يا شيشه پنجره ماشينها در فصل زمستان مينشيند، ناشی از تبدیل مستقیم بخار آب به بلور يخ است و اصطلاحاً چگالش روي داده است.
با تغییر حالت، حجم و چگالی جسم تغییر می کند .
تغییرات حالت با گرفتن یا از دست دادن گرما همراه هستند. ذوب، تبخیر و تصعید گرما گیر و انجماد ، میعان و چگالش گرمازا هستند.
ناگر به جسم جامدی گرما دهیم دمای آن افزایش می یابد. اگر عمل گرما دادن ادامه یابد در دمای مشخصی ( دمای ذوب ) افزایش دما متوقف می شود و جسم به مایع تبدیل می شود. در این حالت اگر گرما دادن را ادامه دهيم هیچ گونه افزایش دمایی صورت نمی گیرد تا جسم به طور کامل به مایع تبدیل شود. گرمایی که در این مرحله مصرف می شود، صرف شكسته شدن پیوندهای مولكولي می گردد.
تغيير فشار هوا (تغيير ارتفاع) و كم و زياد كردن ناخالصي در مواد، روي نقطه ذوب
آنها تاثير ميگذارد، به طوري كه افزايش فشار باعث افزايش نقطه ذوب و بالعكس كاهش فشار باعث كاهش نقطه ذوب اجسام مي‌گردد.
به عنوان مثال نقطه ذوب طلا در فشار يك اتمسفر برابر 1067 درجه سلسیوس است كه در شهرهاي بالاتر از سطح دريا بخاطر كاهش فشار هوا نقطه ذوب طلا كاهش مييابد. يعني در دمايي پايينتر از1067 درجه سلسیوس طلا ذوب مي‌شود.
يخ خالص در فشار يك اتمسفر در دماي صفر درجه سلسیوس ذوب مي‌شود و با افزايش فشار نقطه ذوب آن پايين ميآيد (يعني پايينتر از صفر درجه) و با كاهش فشار نقطه ذوب آن افزايش مييابد (يعني بالاي صفر درجه ). بطور مثال در ارتفاعات كه فشار كم است ميتوانيد يخهايي با دماي بالاي صفر درجه بيابيد.
ن وجود ناخالصي در آب باعث تغيير نقطه ذوب آب مي‌شود، به طوري كه با افزايش ناخالصي نقطه ذوب كاهش مييابد. به عنوان مثال با افزودن نمك در آب مي‌توان نقطه انجماد آن را به18 – درجه سلسیوس رساند
گرمايي كه جسم جامد در نقطه ذوب ميگيرد تا به مايع تبديل شود. گرماي نهان ذوب نام دارد.
مقدار گرمايي كه بايد به يك كيلوگرم از يك جسم جامد در نقطه ذوب داده شود تا به مايع تبديل شود، گرماي نهان ويژه ذوب نام دارد.
یکای گرمای نهان ذوب است .
انجماد ، وارون عمل ذوب است. دمای ذوب يك ماده در شرایط يكسان با دمای انجماد آن برابر است و هر جسم به هنگام انجماد همان قدر گرما از دست می دهد که به هنگام ذوب می گیرد.
گرمای نهان انجماد مقدار گرمايي است كه از يك مايع گرفته مي‌شود و باعث مي‌گردد تا آن ماده در دماي ثابت جامد گردد.
گرمای نهان ویژه انجماد ، قرینه گرمای نهان ویژه ذوب است.
هنگامی که به مایعی گرما می دهیم ، دمای آن بالا می رود . اگر عمل گرما دادن را ادامه دهیم ، هنگامی که به دمای معینی رسید ( نقطه جوش ) دما ثابت می ماند . گرماي مورد نياز براي تبخير يك مايع به جرم و جنس جسم و فشار محیط بستگي
دارد .
گرمايي كه به يك مايع در نقطه جوش ميدهيم تا بخار شود گرماي نهان تبخير نام دارد.
مقدار گرمايي كه بايد به يك كيلوگرم از يك ماده در دماي نقطه جوش داده شود تا به بخار تبديل شود گرماي نهان ويژه تبخير نام دارد
تبخير فرآيندي گرما گير است. بر همين اساس وقتي آب بدن انسان به صورت عرق تبخير
مي‌شود باعث خنك شدن بدن مي‌شود. و حتي در حيوانات، عمل تبخير آب در زبان آنها نيز
( به مقدار قابل توجّه) باعث خنك شدن آنها مي‌شود.
افزايش فشار باعث افزايش نقطه جوش و كاهش فشار باعث كاهش نقطه جوش مي‌شود. بطور مثال در ارتفاعات آب در دماي پايينتري ميجوشد.
افزايش ناخالصي باعث افزايش نقطه جوش آب مي‌شود.
میعان وارون عمل تبخیر است . هرگاه بخاری سرد شود ، هنگامی که به دمای میعان رسید شروع به مایع شدن می کند .دمای میعان يك جسم در شرایط يكسان با دمای جوش آن برابر است.
گرمای نهان ميعان مقدار گرمايي است كه از يك گاز گرفته مي‌شود و باعث مي‌گردد تا آن ماده در دماي ثابت مايع گردد.
مقدار گرمايي كه بايد از يك كيلوگرم از يك گاز در دماي ميعان گرفته شود تا به مايع تبديل شود گرماي نهان ويژه ميعان نام دارد.
فرآیند تبخیر سطحی یک عمل گرما گیر است و با عوامل زیر افزایش می یابد:
افزایش دمای مایع : در دمای بالاتر مولکول های بیشتری سرعت گریز از سطح مایع را پیدا می کنند .
افزایش مساحت سطح مایع : اگر مساحت بزرگتر باشد، مولکولهای بیشتری احتمال گریز را دارند، زیرا تعداد بیشتری از آنها نزدیک سطح هستند.
وزش نسیم یا باد روی سطح مایع : نسیم یا بادی که روی سطح مایع می وزد مولکول های بخار را از سطح مایع به اطراف می برد و نمی گذارد به مایع باز گردند. علاوه براین فشار هوا را بر سطح مایع کاهش می دهد و گریز مولکول های بیشتری را امکان پذیر می سازد. هر چه فشار مایع کمتر باشد، تبخیر سطحی با سرعت بیشتری صورت می گیرد. به همین دلیل تبخیر سطحی در خلاء بسیار تند صورت می گیرد و در مجاورت هوا کندتر.
شباهت تبخیر سطحی و جوشیدن :
هر دو مایع را به بخار تبدیل می کنند .
تفاوت تبخیر سطحی و جوشیدن :
در مایع در حال جوش حباب هایی تشکیل می شود.
تبخیر در سطح مایع در هر دمایی صورت می گیرد ولی جوشیدن زمانی روی می دهد که مایع به نقطه جوش برسد.
پس از شستن لباس ها هر قدر که آب لباس ها گرفته شود باز هم مقداری آب در لابلای تار و پود پارچه می ماند و. برای آنکه لباس ها زودتر خشک شوند آنها را در آفتاب پهن می کنند. پهن کردن لباس های خیس برای ازدیاد سطح آنهاست .
پوشیدن لباس تر قسمتی از بدن را خیس می کند. با تبخیر شدن این مقدار آب گرما از بدن گرفته می شود و ما احساس سرما می کنیم
روش های انتقال گرما : رسانش – همرفت – تابش
اگر دو طرف يك جسم جامد هم دما نباشد، گرما از درون آن و از طرفي كه دماي بيشتري دارد به سمتي كه دماي كمتري دارد شارش ميكند (جاري مي‌شود). به اين نحو انتقال گرما، رسانش می گويند.
اجسام رسانا àاجسامی که گرما را به سرعت منتقل می کنند. فلزات همانند نقره ، مس ، آلومینیوم و …. رساناهای خوب گرما هستند.
اجسام نا رسانا à اجسامی که گرما را به آهستگی منتقل می کنند.
مثل : چوب ، پلاستیک و ….
رسانش گرمایی در اجسامی مانند شیشه و چوب و … به دلیل ارتعاش اتم ها و گسترش این ارتعاش ها در طول آن هاست. به جهت نبود الکترون های آزاد این اجسام رساناهای گرمایی خوبی نیستند .به همین دلیل از برخی از این مواد در دیوارها و سقف بنا ها استفاده می کنند تا حتی الامکان از خروج گرما در زمستان و ورود آن در تابستان جلوگیری کنند.
در فلزات افزون بر ارتعاش اتمی، الکترونهای آزاد نیز در انتقال گرما نقش دارند نسبت به سایر اجسام رساناهای گرمایی بسیار بهتری هستند. در واقع چون الکترون ها بسیار کوچک هستند و به سرعت حرکت می کنند با برخورد با سایر الکترونها و اتم ها سبب رسانش گرما می شوند.
در رساناهای فلزی سهم الکترون های آزاد در رسانش گرما بیشتر از اتم هاست.
همرفت: در این روش گرما از یک محل به محل دیگر با جا به جایی مولکول ها منتقل می شود.
شاره ها ( مایعات و گازها ) گرما را از طریق همرفتی منتقل می کنند.
همرفت به دو شکل دیده می شود: همرفت طبیعی و همرفت وا داشته
در همرفت طبیعی این نیروی شناوری است که باعث می شود شاره سبکتر به طرف بالا برود و شاره سنگین تر جای آن را بگیرد.
گرم شدن هوای داخل اتاق به وسیله بخاری ، جریان بادهای ساحلی، گرم شدن آب درم قابلمه انتقال گرما از مرکز خورشید به سطح آن نمونه هایی از همرفت طبیعی اند.
گاهی یک تلمبه شاره را وادار به چرخش و انتقال گرما می کند. به این نوع انتقال گرما همرفت واداشته می گویند.
سیستم گرم کننده مرکزی ساختمان ها ، سیستم خنک کننده موتور اتومبیل ، دستگاه گردش خون در بدن جانوران خون گرم نمونه هایی از همرفت واداشته اند.
پرتوهای تابش گرمایی از جنس امواج الکترومغناطیس هستند در انتقال گرما به روش تابش نيازي به محيط مادي نيست . بطور مثال گرما از خورشيد به زمين و ما ميرسد در حالي كه مابين خورشيد و زمين خلاء است.
همه مواد در اثر تابش، دمايشان كاهش مييابد و در اثر جذب مقداري از تابش اجسام ديگر، دمايشان زياد مي‌شود. وقتي دستتان كنار يك لامپ روشن قرار ميگيرد، دست ما در اثر تابش گرم مي‌شود اما اگر يك ورق نازك مابين دست و لامپ قرار گيرد ميبينيد كه گرمايي به دست نخواهد رسيد، يا به اندازه قبل گرم نميشود.
امواج الکترومغناطیس با تندی نور منتشر می شوند سرعت انتقال گرما از طریق تابش زیاد است .
همه اجسام در حال تابش از سطح خود هستند. شدت این تابش به دمای جسم وابسته است هر چه دمای جسمی بیشتر باشد تابش آن نیز بیشتر است.
اجسام براق و صیقلی جذب کننده ضعیف و باز تابنده خوب تابش گرمایی اند. تابش گرمایی مانند نور از سطوح صیقلی بازتاب می شود.
هر چه جسم تیره تر باشد جذب و تابش بهتری دارد و هر چه روشن تر باشد بازتاب بیشتری دارد.
در لباسهاي آتش نشاني از پوششهاي فلزي براق استفاده مي شود تا مقدار زيادي از گرماي محيط منعكس شده و كمتر به قسمت داخلي يعني بدن شخص نفوذ كند.
در كشورهاي با آب و هواي گرم، رنگ سفيد براي نماي بيرون خانه ها مناسب تر است. سطح سفيد منعكس كننده قوي تابش هاي گرمايي است. لذا در مناطق گرم رنگ سفيد نماي ساختمانها در پايين آوردن دماي قسمت داخلي آنها مي تواند خيلي مفيد و مؤثر باشد
در دمای کمتر از 500 درجه سلسیوس تابش گرمایی بیشتر به صورت فرو سرخ و نامریی است .برای آشکار سازی تابش های فرو سرخ از دستگاهی به نام دمانگار ( ترمو گراف) استفاده می کنند و به تصویری که این دستگاه ثبت می کند دمانگاشت (ترمو گرام ) می گویند.
بر روی پوزه نوعی مار زنگی اندام های حفره ای وجود دارد که نسبت به پرتوهای فرو سرخ حساس اند این مارها پرتوهای فرو سرخ را که از سطح بدن جانوران خون گرم تابش می شود مشاهده می کنند و برای همین در تاریکی شب هم شکار می کنند.
گیاهی به نام کلم اسکانک می تواند دمایش را ار محیط اطراف بالاتر ببرد و با این کار پرتوهای فرو سرخ تابش می کند. این گیاه با تابش فرو سرخ برف های اطراف را ذوب می کند.
دمای اجسام را می توان با پرتوهای گرمایی که تابش می کنند اندازه گرفت . به این روش تف سنجی می گویند . نام دستگاه تف سنج نام دارد.
تف سنج دو ویژگی مهم دارد:
بدون تماس با جسم دمای آن را اندازه گیری می کند.
برای اندازه گیری دماهای بالای 1100 بسیار مناسب است.
دو نوع تف سنج نوری و تابشی وجود دارد.
دیدگاه شما