شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
گرما چیست؟ – واحد و نحوه اندازه گیری – به زبان ساده
فنجان قهوه داغی را با دمای ۸۰ درجه سلسیوس در نظر بگیرید که روی میز آشپزخانه قرار دارد. فرض کنید دمای محیط نیز برابر ۲۶ درجه سلسیوس باشد. چه اتفاقی رخ میدهد؟ همان‌طور که بارها مشاهده کرده‌اید فنجان قهوه به تدریج سرد میشود و پس از مدت زمان مشخصی با محیط اطراف به تعادل گرمایی می‌رسد. در مقیاس ماکروسکوپی می‌گوییم گرما از فنجان قهوه به محیط اطراف منتقل میشود. حقیقت آن است که گرما از قهوه به محیط اطراف منتقل میشود و دمای قهوه و انرژی آن کاهش مییابد. به انتقال انرژی از جسم داغ به جسم سرد، گرما می‌گوییم. در این مطلب، پس از پاسخ به پرسش گرما چیست به سایر سوالات مرتبط با این حوزه پاسخ می‌دهیم، ازجمله این‌که یاد می‌گیریم که فرمول و راههای انتقال گرما چیست و با چه وسایلی آن‌ها را اندازه‌گیری کنیم.
آنچه در این مطلب می‌آموزید:
فرق مهم بین گرما و دما را می‌آموزید.
رفتار حرکتی ذرات و تأثیر انرژی جنبشی آن‌ها را خواهید آموخت.
سه روش انتقال گرما شامل هدایت، همرفت و تابش را یاد خواهید گرفت.
یاد می‌گیرید واحدهای گرما و دما را تشخیص داده و به‌هم تبدیل کنید.
فرآیند تشکیل پیوند یونی و تأثیر آن بر گرمای واکنش را خواهید آموخت.
با ابزارهای اندازه‌گیری گرما و دما و کاربردهای هریک آشنا می‌شوید.
گرما مفهومی بسیار مهم در علم فیزیک است. اگر علاقه‌مند به فیزیک باشید یا مبحث ترمودینامیک را در دوره دبیرستان یا دانشگاه گذرانده باشید، به طور حتم با این کلمه بسیار روبرو شده‌اید. آیا می‌دانید گرما چیست؟ در زندگی روزمره، بارها با این کلمه روبرو شده‌اید و آن را احساس کرده‌اید. به عنوان مثال، هنگامی که لیوانی چای داغ را در دست می‌گیرید، گرمای آن را احساس خواهید کرد یا در یکی از روزهای گرم مرداد ماه با خود می‌گویید، چه هوای گرمی. گرما مفهومی است که در بسیار از مبحث‌های فیزیک، مانند فیزیک گرما و ترمودینامیک، استفاده میشود.
قبل از آن‌که بدانیم گرما چیست، به این نکته توجه داشته باشید که گرما نه‌تنها در فیزیک بلکه در بسیاری از شاخه‌های دیگر مانند علم مواد، شیمی و زیست‌شناسی نیز استفاده میشود. قبل از توضیح در مورد گرما باید بدانیم دما چیست.
دما چیست ؟
خودکاری را در نظر بگیرید و با استفاده از میکروسکوپ روی آن زوم کنید. هرچه قدرت بزرگ‌نمایی میکروسکوپ بیشتر باشد به این نکته پی خواهید برد که خودکار از مولکول‌ها و ذرات بسیار ریز با تعداد زیاد ساخته شده است. ذرات تشکیل‌دهنده خودکار یا هر جسم دیگر، ساکن نیستند و حرکت می‌کنند. شاید با خود فکر کنید ذرات تشکیل‌دهنده اجسام جامد، مانند خودکار، حرکت نمی‌کنند، اما این‌طور نیست. حتی ذرات تشکیل‌دهنده جسم جامد نیز حرکت می‌کنند.
خودکار زیر میکروسکوپ
دو ذره مجاور یکدیگر داخل جسمی جامد را در نظر بگیرید. این دو ذره با یکدیگر پیوند دارند. پیوند بین دو ذره مجاور در جسم جامد را با دقت خوبی می‌توان مشابه فنر کوچکی دانست. اکنون سیستمی دو ذره‌ای به صورت نشان داده شده در تصویر زیر داریم که با یکدیگر پیوند دارند و پیوند آن‌ها همانند فنری کوچک است.
اگر این سیستم دو ذره‌ای انرژی داشته باشد، دو ذره به صورت طبیعی حول نقطه تعادل خود نوسان می‌کنند. هرچه انرژی سیستم دو ذره‌ای بیشتر باشد، ذرات با شدت بیشتری نوسان می‌کنند و در نتیجه، انرژی جنبشی بیشتری خواهند داشت. ذرات تشکیل‌دهنده جسم داغ، انرژی جنبشی زیادی دارند. اما، ذرات تشکیل‌دهنده جسم سرد انرژی جنبشی کمی دارند.
دما به صورت متوسط انرژی جنبشی ذراتِ تشکیل‌دهنده سیستم تعریف میشود. شاید از خود بپرسید دما چه چیزی را اندازه می‌گیرد. دما، مقدار گرمای موجود برای انجام کار در سیستم را اندازه می‌گیرد. بنابراین، انرژی گرمایی به متوسط انرژی جنبشی اتم‌ها یا ذرات داخل سیستم مربوط میشود. انرژی جنبشی ذره‌ای به جرم m با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:
K=21mv2
همان‌طور که در رابطه بالا دیده میشود، انرژی جنبشی هر ذره با مربع سرعت حرکت آن ذره به طور مستقیم متناسب است. بنابراین، هرچه انرژی جنبشی ذره‌ای بیشتر باشد، آن ذره با سرعت بیشتری حرکت خواهد کرد. به بیان دیگر، هرچه اتم‌های داخل جسم با سرعت بیشتری حرکت کنند، انرژی جنبشی آن‌ها بیشتر است. در نتیجه، هرچه دمای جسمی بیشتر باشد، ذرات تشکیل‌دهنده آن با سرعت بیشتری حرکت می‌کنند.
انرژی جنبشی متوسط سیستم با استفاده از معادله زیر به دمای سیستم مربوط میشود:
KE=23kT
همان‌طور که در معادله بالا دیده میشود، انرژی جنبشی متوسط سیستم با دمای سیستم متناسب است. تا اینجا با مفهوم دما آشنا شدیم. در ادامه، به پرسش گرما چیست پاسخ می‌دهیم.
دو جسم A و B را در دو دمای متفاوت در نظر بگیرید. دمای جسم A را ۲۰ درجه سلسیوس و دمای جسم B را ۸۰ درجه سلسیوس در نظر بگیرید. این دو جسم همگن هستند و از ماده یکسانی ساخته و از بقیه جهان جدا شده‌اند. از آنجا که دمای جسم A کمتر از دمای جسم B است، ذرات جسم B سریع‌تر از ذرات جسم A حرکت می‌کنند. زیرا انرژی جنبشی ذرات در جسم A کمتر از انرژی جنبشی ذرات در جسم B است. بنابراین، جسم A نسبت به جسم B سردتر است. برای نشان دادن مقدار انرژی جنبشی ذرات در سیستم از دو رنگ استفاده می‌کنیم.
ذرات قرمزرنگ انرژی جنبشی بیشتری در مقایسه با ذرات آبیرنگ دارند. از این‌رو، ذرات A آبیرنگ و ذرات B قرمزرنگ هستند. در ادامه، دو جسم A و B را در تماس با یکدیگر قرار می‌دهیم و مرز بین آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
سه ذره از جسم A را در نظر می‌گیریم و آن‌ها را ذره‌های شماره یک، دو و سه می‌نامیم. به طور مشابه، سه ذره از جسم B انتخاب می‌کنیم و شماره‌های چهار، پنج و شش را به هر ذره می‌دهیم.
انتخاب سه ذره از هم جسم
ذرات یک تا سه در جسم A با دمای کمتر قرار دارند، بنابراین انرژی جنبشی کمتری در مقایسه با ذرات چهار تا شش در جسم B دارند. به بیان دیگر، ذرات یک تا ۳ با سرعت بیشتر در مقایسه با ذرات چهار تا شش حرکت می‌کنند. به این نکته توجه داشته باشید که ذرات در جسم جامد در مکان خود، حول نقطه تعادل نوسان می‌کنند. بنابراین، هر ذره با ذره مجاور خود برخورد میکند. به هنگام برخورد دو ذره با انرژی جنبشی‌های متفاوت، ذره‌ای که انرژی جنبشی بیشتری دارد، مقداری از انرژی خود را به ذره با انرژی جنبشی کمتر منتقل میکند.
دو ذره سه و چهار در محل تماس دو جسم A و B با یکدیگر قرار دارند. این دو ذره با یکدیگر برخورد می‌کنند. از آنجا که انرژی جنبشی ذره چهار بیشتر از انرژی جنبشی ذره سه است، این ذره مقداری از انرژی جنبشی خود را به ذره سه میدهد. به بیان دیگر، ذره چهار روی ذره سه کار انجام میدهد. در این حالت، انرژی جنبشی ذره سه افزایش مییابد و بیشتر از انرژی جنبشی ذره دو میشود. هنگامی که ذره‌های دو و سه با یکدیگر برخورد می‌کنند، مقداری از انرژی جنبشی ذره سه به ذره دو منتقل خواهد شد.
اتفاق مشابهی در جسم B رخ میدهد. انرژی جنبشی ذره چهار کمتر از انرژی جنبشی ذره پنج است. زیرا ذره چهار مقداری از انرژی جنبشی خود را در برخورد با ذره سه از دست داده است. اکنون، ذره چهار با ذره پنج برخورد میکند و مقدار از انرژی جنبشی ذره پنج به ذره چهار منتقل میشود. به بیان دیگر، ذره پنج مقداری از انرژی جنبشی خود را به هنگام برخورد با ذره چهار از دست میدهد. اتفاق مشابهی بین ذرات یک و دو و پنج و شش رخ میدهد.
همان‌طور که دیده میشود مبادله انرژی جنبشی به تدریج گسترش مییابد. این‌گونه به نظر می‌رسد که ذرات در سیستم B با دمای بالاتر، مقداری از انرژی جنبشی خود را به ذرات در سیستم A با انرژی جنبشی کمتر منتقل می‌کنند. در پایان، انرژی جنبشی ذرات در هر دو جسم با یکدیگر برابر می‌شوند. از دید ناظر خارجی در اتاق، دمای دو جسم A و B با یکدیگر برابر میشود یا دو جسم با یکدیگر به تعادل گرمایی می‌رسند.
اگر یک گام به عقب‌تر برویم و گسترده‌تر نگاه کنیم، به این نکته پی می‌بریم که ذرات جسم داغ روی ذرات جسم سرد کار انجام داده‌اند. به بیان دیگر، انرژی از جسم داغ به جسم سرد منتقل شده است. به این انتقال انرژی، گرما می‌گوییم. واحد اندازه‌گیری انرژی گرمایی، ژول است. به بیان دیگر گرما، کار حاصل از طرف ذرات جسم داغ روی ذرات جسم سرد است:
$$Q = \sum W _ { Particles\ \of \ hotter \ system }$$
«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.
شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
خیلی جالب بود
لذت بردم
ممنون بابت زحمت شما🌹
خیلی عالی کامل بود واقعا تشکر میکنم
ممنون از سایت همیشه درخشانتون امیدوارم این مقاله خیلی خوب از نظر علمی ویرایش بشه و اشتباهات کوچیکش رفع بشن و مثل همیشه عالی باشین
با سلام،
مطلب بررسی و برخی فرمول‌ها اصلاح شدند،
با تشکر از همراهی شما با مجله فراردس