همرفت چیست؟ – تفاوت با رسانش و تابش به زبان ساده + مثال و تمرین

همرفت یکی از روش‌های انتقال گرما است که در آن فرآیند انتقال گرما در مایعات و گازها بر اثر حرکت مولکول‌ها انجام می‌شود. ما سه روش متداول برای انتقال حرارت داریم، رسانش، همرفت و تابش. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم همرفت چیست، انواع آن کدامند و چه تفاوت‌هایی با رسانش و تابش دارد. همچنین به حل و بررسی چند نمونه سوال در این زمینه خواهیم پرداخت.

همرفت چیست؟

همرفت، فرآیند انتقال گرما توسط حرکت توده‌ای از مولکول‌ها در شاره‌ها یا سیالات است. همرفت در مایعات و گازها اتفاق می‌افتد، ممکن است به‌صورت طبیعی یا اجباری رخ دهد و شامل انتقال بخش‌هایی از ذرات سیال است. در این روش انرژی گرمایی به وسیله جابجایی فیزیکی ذرات ماده از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌شود.

برخلاف رسانش که در آن گرما از طریق تماس منتقل می‌شود یا تابش که در آن گرما می‌تواند از یک فضای خالی عبور کند، در همرفت خود ماده (سیال) برای انتقال گرما حرکت می‌کند. در این روش انتقال گرما بخشی از یک سیال گرم می‌شود. پس ذرات آن انرژی جنبشی به‌دست آورده و از هم دور می‌شوند (انبساط حرارتی). بنابراین چگالی‌ این ذرات کمتر خواهد شد.

این بخش از سیال گرم‌تر و سبک‌تر بالا می‌رود، در حالی که سیال خنک‌تر و چگال‌تر به سمت پایین حرکت می‌کند تا جای آن را بگیرد. نتیجه، ایجاد یک جریان همرفتی است، یعنی ایجاد یک حلقه پیوسته ناشی از بالا و پایین رفتن سیال که گرما را از طریق سیال منتقل می‌کند. نیرو محرکه در این چرخه شناوری است، یعنی تمایل سیال با چگالی کمتر برای بالا رفتن نسبت به سیال چگال‌تر. بنابراین تا زمانی که اختلاف دما داشته باشیم، این چرخه بالا و پایین رفتن ادامه دارد و انتقال گرمای پایدار را ممکن می‌سازد.

همرفت نقش مهمی در طبیعت و فناوری دارد. برای مثال در هواشناسی، جریان‌های همرفتی الگوهای باد را شکل می‌دهند، سیستم‌های آب‌ و هوایی را هدایت می‌کنند و جریان‌های اقیانوسی را به گردش درمی‌آورند. در محیط‌های خانگی، دستگاه‌هایی مانند پنکه‌های سقفی و بخاری‌ها برای توزیع موثر هوای گرم یا سرد بر اساس همرفت کار می‌کنند. سیستم‌های صنعتی از جمله کوره‌ها، برج‌های خنک‌کننده و مبدل‌های حرارتی نیز برای حفظ دمای کنترل‌ شده جهت ایمنی و کارایی خود، به همرفت اجباری وابسته‌اند.

یادگیری روش های انتقال گرما با فرادرس

در این بخش قصد داریم مجموعه‌‌ای از آموزش‌های فرادرس را به شما معرفی کنیم که روش‌های انتقال گرما را پوشش می‌دهند. مشاهده فیلم‌های آموزشی فیزیک پایه دهم به شما کمک می‌کند تا تسلط خوبی در این زمینه به‌دست آورید و بهتر متوجه شوید که همرفت چیست و چگونه گرما را منتقل می‌کند:

• فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – فیزیک ۱ فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک – پایه دهم – مرور و حل تمرین فرادرس
• فیلم آموزش فیزیک – پایه دهم – نکته و تست کنکور فرادرس

چرخه همرفت

برای اینکه بهتر متوجه شوید چرخه همرفت چیست و چطور گرما توسط این روش منتقل می‌شود، به این مثال توجه کنید. فرض کنید یک قابلمه پر از آب را روی اجاق گاز گذاشته‌اید. زمانی که شعله را روشن می‌کنید، این اتفاقات مرحله به مرحله رخ می‌دهند:

1. گرم شدن لایه پایین (انبساط): سیال نزدیک به منبع گرما، گرم‌تر و سبک‌تر می‌شود.
2. بالا رفتن آب داغ (شناوری): این بخش از سیال بالا می‌رود و به تدریج خنک می‌شود.
3. جایگزینی با آب سرد: سیال خنک‌تر که چگال‌تر است، به سمت پایین فرو می‌رود.
4. تشکیل چرخه همرفت: سیال خنک‌تر جایگزین سیال گرم در حال بالا رفتن شده و یک حلقه ایجاد می‌کند.

در مرحله اول، زمانی که شعله به کف قابلمه می‌خورد، اولین لایه‌ آب که با کف در تماس است، داغ می‌شود. ذرات آب وقتی داغ می‌شوند، از هم فاصله می‌گیرند یا منبسط می‌شوند. در نتیجه، این آب داغ از آب سرد بالای خود سبک‌تر خواهد شد. حالا مرحله دوم را داریم. چون آب داغ سبک‌تر است، مانند یک حباب هوا که در آب بالا می‌آید، به سمت بالا حرکت می‌کند. به این خاصیت که باعث بالا رفتن اجسام سبک‌تر در یک مایع می‌شود، شناوری می‌گوییم.

در سومین مرحله، وقتی آب داغ به سمت بالا می‌رود، یک فضای خالی در لایه پایین ایجاد می‌شود. در این لحظه، آب سرد بالایی که چگال‌تر یا سنگین‌تر است، به سمت پایین می‌آید تا جای آن را بگیرد. در نهایت، آن آب سردی که به پایین آمده بود، مجددا توسط شعله اجاق داغ می‌شود و همان مسیر قبلی را طی می‌کند و بالا می‌رود. این حرکت چرخشی مداوم آب یعنی بالا رفتن بخش گرم‌ و پایین آمدن بخش سرد، همان چیزی است که به آن جریان همرفتی می‌گوییم.

این فرآیند تا زمانی که اختلاف دما و تحرک کافی برای سیال وجود داشته باشد، ادامه خواهد داشت و جابجایی دائم آب سرد و گرم باعث می‌شود کل آب داخل قابلمه به مرور داغ شود. دقت کنید دو نکته مهم در تشکیل جریان همرفتی وجود دارد:

• آب سرد سنگین است (چگالی زیاد)، پس پایین می‌ماند.
• آب داغ سبک می‌شود (چگالی کم)، پس بالا می‌رود.

چرخه همرفت باعث می‌شود انتقال گرما در سیالاتی مانند آب، هوا، روغن و حتی سنگ مذاب ممکن شود. قدرت و سرعت همرفت به عوامل مختلفی مانند اختلاف دما، گرانروی یا ویسکوزیته سیال و اینکه جریان طبیعی یا توسط نیروهای خارجی ایجاد شده باشد، بستگی دارد. در بخش بعد توضیح می‌دهیم منظور از طبیعی یا اجباری بودن جریان همرفت چیست.

انواع همرفت

انواع همرفت را بر این اساس که حرکت سیال چگونه آغاز شده است، به دو گروه طبقه‌بندی می‌کنیم:

• همرفت طبیعی
• همرفت اجباری

هر دو نوع همرفت شامل حرکت سیال از منطقه‌ای با دمای بالاتر به منطقه‌ای با دمای پایین‌تر هستند، اما مکانیسم‌هایی که این حرکت را هدایت می‌کنند، متفاوت‌ است. در ادامه این بخش توضیح می‌دهیم تفاوت انواع همرفت چیست.

همرفت طبیعی

زمانی که همرفت به علت نیروی شناوری رخ دهد، می‌گوییم همرفت طبیعی است. در همرفت طبیعی تفاوتی در چگالی‌ها ایجاد می‌شود که ناشی از اختلاف دماست. پس در ایجاد این نوع همرفت هیچ دستگاه یا عامل خارجی دخیل نیست. سیال گرم‌تر و کم‌چگال‌تر بالا می‌رود و سیال خنک‌تر و چگال‌تر پایین می‌آید و چرخه جریان همرفتی تشکیل می‌شود.

مرسوم‌ترین مثال‌ها از همرفت طبیعی، گردش آب در یک قابلمه در حال جوش، هوای گرمی که در اتاق‌های گرم‌ شده بالا می‌رود، پدیده‌های جوی مانند تشکیل ابر و ایجاد نسیم دریا و خشکی است که در ادامه توضیح می‌دهیم تا بهتر متوجه شوید مفهوم طبیعی بودن همرفت چیست.

نسیم دریا

فرض کنید در حال قدم زدن در امتداد یک ساحل در یک بعد از ظهر گرم هستید. به محض اینکه پای خود را روی ماسه‌ها قرار می‌دهید، بلافاصله به سمت دریا می‌دوید تا پاهای داغ خود را در آب خیس کنید. می‌دانیم خورشید هم آب دریا و هم ماسه‌های ساحل را گرم می‌کند، اما خشکی و آب با سرعت یکسانی گرم یا سرد نمی‌شوند. این گرم و سرد شدن متفاوت خشکی و دریا باعث به وجود آمدن نسیم می‌شود. دو نوع نسیم داریم، نسیم دریا و نسیم خشکی.

نسیم دریا در طول روز رخ می‌دهد. گفتیم خورشید هم سطح دریا و هم خشکی را گرم می‌کند. چون ظرفیت گرمایی دریا بیشتر است، پس بخش زیادی از انرژی خورشید را جذب می‌کند، اما بسیار کندتر از خشکی گرم می‌شود. در نتیجه دمای بالای خشکی، جو بالای آن را نیز گرم می‌کند، انبساط در هوای گرم و سبک‌تر رخ می‌دهد و منطقه‌ای با فشار کم بر روی خشکی ایجاد می‌شود.

در همان زمان روی سطح دریا نیز یک منطقه‌ پرفشار ایجاد می‌شود. به دلیل تفاوت در فشار، هوا از فشار بالا روی دریا به سمت فشار پایین روی خشکی جریان می‌یابد. این جریان هوا از دریا به سمت خشکی، همان نسیم دریا است. نسیم دریا در روزهای گرم آفتابی و در طول بهار و تابستان رایج‌تر است و می‌توان خنک‌کنندگی و افت دمای محسوس آن را کاملا حس کرد.

نسیم خشکی

نسیم خشکی در طول شب رخ می‌دهد. وقتی خورشید غروب می‌کند، خشکی و دریا شروع به سرد شدن می‌کنند. به دلیل تفاوت در ظرفیت گرمایی، خشکی در مقایسه با آب به سرعت گرما از دست می‌دهد. در نتیجه دمای دریا نسبتا بالاتر است و این فشار هوای کمی در آنجا ایجاد می‌کند. در نتیجه جریانی از نسیم خنک را به سمت ساحل خواهیم داشت که به عنوان نسیم خشکی شناخته می‌شود. نسیم‌‌های خشکی می‌توانند در هر زمانی از سال رخ دهند، اما در طول فصل‌های پاییز و زمستان و زمانی که دمای آب هنوز نسبتا گرم است و شب‌ها خنک هستند، رایج‌تر‌اند.

همرفت اجباری

در این بخش بطور خلاصه توضیح می‌دهیم مفهوم اجباری بودن همرفت چیست. اگر از نیروهای خارجی مانند فن‌ها، پمپ‌ها یا دمنده‌ها برای ایجاد همرفت استفاده شود، همرفت اجباری یا القا شده داریم. در این نوع همرفت همچنان گرما از طریق حرکت ذرات منتقل می‌شود و گردش سیال خود به‌ خودی نیست، اما به ورودی مکانیکی وابسته است.

فن‌هایی که در تهویه‌ کننده‌های هوا و بخاری‌های اتاق استفاده می‌شوند، گردش مایع خنک‌ کننده در موتور خودرو، پمپ‌ها در آب‌گرم‌کن‌ها یا دیگ‌های بخار، جریان خون در بدن انسان که در آن قلب به عنوان یک پمپ عمل می‌کند و یا استفاده از پنکه در یک روز گرم تابستانی، نمونه‌هایی از همرفت اجباری هستند. در همرفت اجباری کنترل بیشتری بر نرخ و جهت انتقال گرما داریم و از این جهت در بسیاری از بخش‌های مهندسی کاربرد دارد.

همرفت اجباری با قانون سرمایش نیوتن مرتبط است که فرمول آن به شکل زیر است:

$$P= \frac{dQ}{dt} = hA(T - T_0)$$

• $$P= \frac{dQ}{dt}$$: نرخ انتقال گرما
• $$h$$: ضریب انتقال گرما در همرفت
• $$A$$: مساحت سطحی که در معرض گرما است.
• $$T$$: دمای جسم غوطه‌ور
• $$T_0$$: دمای سیالی که تحت همرفت قرار دارد.

دقت کنید مقدار ضریب انتقال گرما یا $$h$$ به چهار فاکتور زیر بستگی دارد:

• چگالی
• گرانروی (ویسکوزیته)
• رسانندگی گرمایی
• ظرفیت گرمایی ویژه

اگر می‌خواهید در سطح پیشرفته‌تری یاد بگیرید که همرفت چیست، پیشنهاد می‌کنیم مطلب «انتقال حرارت جابجایی – از صفر تا صد» از مجله فرادرس را مطالعه کنید.

تفاوت رسانش و همرفت چیست؟

در بخش‌های قبل یاد گرفتیم که همرفت چیست و چه انواعی دارد. گفتیم همرفت همان حرکت ذرات از طریق یک ماده است و طی آن انرژی گرمایی از نواحی داغ‌تر به نواحی خنک‌تر منتقل می‌شود. اما هدایت یا رسانش گرمایی شامل حرکت ذرات نیست، بلکه در این روش انتقال گرما انرژی گرمایی بر اثر تماس از یک ذره به ذره دیگر منتقل می‌شود.

رسانش در مایعات و گازها فرآیندی بسیار کندتر از همرفت است، چون در این مواد ذرات آزاد هستند که حرکت کنند و در نتیجه تماس مستقیم کاهش می‌یابد. در مقابل رسانش در جامدات بسیار موثرتر از همرفت عمل می‌کند، زیرا ذرات به‌‌صورت فشرده در کنار هم قرار گرفته‌اند و به‌طور مداوم با هم در تماس‌اند تا امکان انتقال کارآمد گرما فراهم شود. می‌‌دانیم در جامدات ذرات ثابت‌اند و قادر به حرکت نیستند و همین نکته مانع از انتقال انرژی از طریق همرفت می‌شود.

برای مثال، زمانی که یک سر جسمی مانند یک میله فلزی را گرم می‌کنید، اتم‌های آن نقطه شروع به لرزش شدید می‌کنند. این لرزش به اتم‌های مجاور منتقل شده و این زنجیره ادامه پیدا می‌کند تا گرما به سر دیگر جسم برسد. در این روش خود ماده جابجا نمی‌شود، بلکه فقط انرژی گرمایی از اتمی به اتم دیگر اصطلاحا دست‌ به‌ دست می‌شود.

تفاوت تابش و همرفت چیست؟

برای اینکه بهتر متوجه شوید تفاوت تابش و همرفت چیست، ابتدا باید بدانیم که هر دو روش‌هایی برای انتقال انرژی گرمایی هستند، اما مکانیسم انتقال گرما در آن‌ها کاملا متفاوت است. در تابش نیازی به حضور ماده نداریم و انرژی گرمایی به شکل امواج الکترومغناطیسی مانند نور مادون قرمز منتشر می‌شود.

در واقع تمام اجسامی که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارند، انرژی را به‌صورت امواج الکترومغناطیسی گسیل می‌کنند. این امواج با سرعت نور حرکت می‌کنند و وقتی به جسم دیگری برخورد کنند، جذب شده و باعث گرم شدن آن می‌شوند. بنابراین تابش تنها روشی است که می‌تواند از خلاء نیز عبور کند. رسیدن گرمای خورشید به زمین که بخش بزرگی از مسیر خود را در خلاء طی می‌کند یا حس کردن داغی زمانی که دست خود را نزدیک یک لامپ روشن و بدون لمس کردن آن می‌گیرید، نمونه‌هایی از انتقال گرما توسط تابش‌اند.

در مقابل، گفتیم که همرفت روشی برای انتقال گرما است که فقط در سیالات یعنی مایعات و گازها اتفاق می‌افتد. در این روش، ذرات ماده خودشان حرکت می‌کنند و گرما را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کنند. وقتی یک مایع یا گاز گرم می‌شود، چگالی آن کاهش یافته و به سمت بالا حرکت می‌کند. همزمان سیال سردتر و چگال‌تر نیز به سمت پایین می‌آید تا جای آن را بگیرد. این چرخه حرکت ذرات جریان همرفتی را ایجاد می‌کند. بنابراین در همرفت حتما به یک محیط مادی یا ماده نیاز داریم و در خلاء یا جایی که ماده‌ای نیست، همرفت امکان‌پذیر نیست.

حل مثال و تمرین از همرفت

در این بخش به حل و بررسی چند نمونه سوال در زمینه انتقال گرما توسط همرفت می‌پردازیم. همچنین اگر تمایل دارید در زمینه همرفت و سایر روش‌های انتقال گرما نکات تستی مهم و نمونه سوالات کنکور را تمرین کنید، پیشنهاد می‌کنیم فیلم آموزش فیزیک – پایه دهم – نکته و تست کنکور فرادرس را مشاهده کنید که لینک آن نیز در ادامه برای شما قرار داده شده است:

مثال ۱

در بسیاری از خانه‌ها از اطراف درها و پنجره‌ها یا از طریق ترک‌ها و شکاف‌ها و از مسیر سیم‌کشی کلیدها و پریزها و ... بین داخل و خارج هوا جریان پیدا می‌کند. به این ترتیب، هوای یک خانه معمولی در کمتر از یک ساعت کاملا تعویض می‌شود. فرض کنید یک خانه با اندازه متوسط دارای ابعاد داخلی $$10 \text{ m} \times 10 \text{ m} \times 3 \text{ m}$$ باشد و تمام هوا در مدت زمان $$30 \text{ min}$$ تعویض شود. نرخ انتقال گرمایی که برای گرم کردن هوای سرد ورودی به میزان $$10 \text{ °C}$$ لازم است تا گرمای از دست رفته تنها از طریق همرفت جایگزین شود، چقدر است؟

پاسخ

می‌دانیم برای افزایش دمای هوا از گرما استفاده می‌شود، بنابراین داریم:

$$Q=mcΔT$$

از طرفی نرخ انتقال گرما برابر است با $$P= \frac{dQ}{dt}$$ که در آن $$t$$ مدت زمان تعویض هوا است. قبل از محاسبه باید جرم هوا و ظرفیت گرمایی ویژه آن را پیدا کنیم. ظرفیت گرمایی ویژه هوا میانگین وزنی ظرفیت‌های گرمایی نیتروژن و اکسیژن است که مقدار آن طبق جداول مرجع $$c=721 \ \frac{J}{kg⋅°C}$$ به‌دست می‌آید (توجه داشته باشید که برای این فرآیند باید از ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت استفاده شود). همچنین جرم هوا را از روی چگالی و حجم داده شده برای خانه تعیین می‌کنیم. چگالی هوا برابر است با $$ρ=1.29 \ \frac{kg}{m^3}$$ و حجم خانه نیز به شکل زیر حساب می‌شود:

$$V=(10m)(10 m)(3 m)=300 \ m^3$$

$$m=ρV=1.29 \times 300=387 \ kg$$

حالا می‌توانیم گرمای منتقل شده را با توجه به تغییر دمای هوا یعنی $$ΔT=10 °C$$ محاسبه کنیم:

$$Q=mcΔT=(387 )(721 )(10 )=2.79×10^6 \ J$$

پس گرمای منتقل شده در واحد زمان برابر می‌شود با:

$$P=\frac{Q}{t} = \frac{2.79×10^6}{1800} =1.55×10^3 \ W$$

مثال ۲

یک فرد معمولی در حالت استراحت، گرما را با نرخی حدود $$120 \ W$$ تولید می‌کند. برای دفع تمام این انرژی، لازم است آب با چه نرخی از بدن تبخیر شود (این تبخیر ممکن است زمانی رخ دهد که فرد در سایه نشسته و دمای محیط با دمای پوست یکسان است. در نتیجه انتقال گرما از طریق روش‌های دیگر نداریم)؟

پاسخ

برای خنک نگه داشتن بدن از طریق تبخیر، باید انرژی تولید شده توسط بدن که در اینجا نرخ آن $$120 \ W$$ است، دقیقا با انرژی موردنیاز برای تغییر فاز آب از مایع به بخار برابر باشد. می‌دانیم انرژی موردنیاز برای تغییر فاز از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

$$Q = m L_v$$

که در آن $$L_v$$ گرمای نهان تبخیر است. از طرفی نرخ اتلاف انرژی یا توان برابر است با:

$$\frac{Q}{t} = \frac{mL_v}{t} = 120 \ W = 120 \ \frac{J}{s}$$

بنابراین، برای یافتن نرخ جرمی که در واحد زمان تبخیر می‌شود یا $$\frac{m}{t}$$، معادله بالا را بازنویسی می‌کنیم:

$$\frac{m}{t} = \frac{120}{L_v}$$

مقدار گرمای نهان تبخیر آب در دمای بدن یعنی سی و هفت درجه سانتیگراد برابر است با $$2430 \ \frac{kJ}{kg} = 2430 \ \frac{J}{gr}$$. بنابراین خواهیم داشت:

$$\frac{m}{t} = \frac{120}{2430} = 0.0494 \ \frac{gr}{s}$$

مثال ۳

در یک قابلمه $$500g$$ آب را با دمای اولیه $$20^\circ C$$ می‌ریزیم. سپس قابلمه را روی شعله قرار می‌دهیم. پس از مدتی دمای آب به $$80^\circ C$$ می‌رسد. اگر گرمای ویژه آب برابر با $$c=4200\frac{J}{kg.^\circ C}$$ باشد، مقدار گرمایی را که آب دریافت کرده به‌دست آورید و توضیح دهید در گرم شدن تمام آب، اثر همرفت چیست؟

پاسخ

ابتدا جرم آب را به کیلوگرم تبدیل می‌کنیم:

$$500g=0.5kg$$

می‌دانیم فرمول گرمای منتقل‌ شده به جسم برای تغییر دما به شکل زیر است:

$$Q=mc\Delta T$$

تغییر دما برابر است با $$\Delta T=T_2-T_1$$ یا $$\Delta T=80-20=60^\circ C$$. بنابراین گرما به شکل زیر خواهد شد:

$$Q=(0.5)(4200)(60)$$

$$Q=126000J$$

در این آزمایش آب نزدیک کف قابلمه زودتر گرم می‌شود و با گرم شدن، چگالی آن کاهش یافته و به سمت بالا حرکت می‌کند. از طرفی آب سردتر که چگالی بیشتری دارد، پایین می‌آید و جای آب گرم را می‌گیرد. این جابجایی پیوسته باعث شکل‌گیری جریان‌های همرفتی می‌شود و گرما را در سراسر آب پخش می‌کند.

مثال ۴

دو ظرف یکسان روی شعله‌هایی با توان برابر قرار دارند. در ظرف اول $$300g$$ آب و در ظرف دوم $$600g$$ آب با دمای اولیه $$25^\circ C$$ وجود دارد. اگر به هر دو ظرف مقدار گرمای یکسان $$Q=50400J$$ داده شود، دمای نهایی آب در هر ظرف چقدر است، اگر گرمای ویژه آب برابر با $$c=4200\frac{J}{kg.^\circ C}$$ باشد؟ همچنین توضیح دهید در کدام ظرف جریان همرفتی سریع‌تر باعث افزایش دمای کل آب می‌شود:

پاسخ

ابتدا در مورد ظرف اول با مقدار آب $$m_1=300g=0.3kg$$ از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$$Q=mc\Delta T$$

$$\Delta T=\frac{Q}{mc}$$

$$\Delta T_1=\frac{50400}{(0.3)(4200)}$$

$$\Delta T_1=\frac{50400}{1260}$$

$$\Delta T_1=40^\circ C$$

بنابراین دمای نهایی ظرف اول برابر می‌شود با:

$$T_2=25+40=65^\circ C$$

به همین شکل برای ظرف دوم خواهیم داشت:

$$m_2=600g=0.6kg$$

$$\Delta T_2=\frac{50400}{(0.6)(4200)}$$

$$\Delta T_2=\frac{50400}{2520}$$

$$\Delta T_2=20^\circ C$$

بنابراین دمای نهایی ظرف دوم نیز برابر می‌شود با:

$$T_2'=25+20=45^\circ C$$

در مورد سوال بعدی، چون جرم آب در ظرف اول کمتر است، همان مقدار گرما باعث افزایش دمای بیشتری در آن می‌شود. در واقع در هر دو ظرف همرفت رخ می‌دهد، اما در ظرف اول به دلیل مقدار کمتر آب، افزایش دمای کل آب سریع‌تر دیده می‌شود. البته خود جریان همرفتی به اختلاف دما و چگالی وابسته است، اما افزایش دمای میانگین آب در ظرفی حاوی مقدار کمتر آب، سریع‌تر است.

مثال ۵

در یک آزمایش $$1kg$$ آب داخل ظرفی قرار دارد و از کف گرم می‌شود. به این ترتیب دمای آب از $$15^\circ C$$ به $$55^\circ C$$ می‌رسد. همچنین گرمای ویژه آب برابر با $$4200\frac{J}{kg.^\circ C}$$ است.

• گرمای منتقل‌ شده به آب را حساب کنید:
• توضیح دهید چرا اگر آب فقط از راه رسانش گرم می‌شد، گرم شدن بخش‌های بالایی آن کندتر بود:
• توضیح دهید جریان همرفتی چگونه باعث پخش گرما می‌شود:

پاسخ

از رابطه گرمای منتقل‌ شده استفاده می‌کنیم:

$$Q=mc\Delta T$$

با توجه به تغییر دمای $$\Delta T=55-15=40^\circ C$$، داریم:

$$Q=(1)(4200)(40)$$

$$Q=168000J$$

در پاسخ به سوال بعدی و برای اینکه بدانیم اثر همرفت چیست، می‌دانیم در رسانش، گرما از ذره‌ای به ذره دیگر منتقل می‌شود، بدون اینکه ماده جابجا شود. آب رسانای گرمایی خوبی نیست، بنابراین اگر فقط رسانش وجود داشت، گرما از کف ظرف به آرامی به لایه‌های بالایی می‌رسید. در مورد سوال بعدی نیز با توجه به اینکه در همرفت خود آب جابجا می‌شود، پس آب گرم نزدیک کف ظرف منبسط می‌شود، چگالی آن کاهش می‌یابد و به سمت بالا می‌رود. همچنین آب سردتر و چگال‌تر از بالا به سمت پایین می‌آید. این گردش پیوسته جریان آب، باعث انتقال سریع‌تر گرما در کل آب می‌شود.

آزمایش همرفت در خانه

دو قابلمه کوچک آب بردارید و از یک قطره‌چکان استفاده کنید تا یک قطره رنگ خوراکی را ته هر کدام قرار دهید. یکی از دو قابلمه را روی سطح میز قرار دهید و دیگری را روی شعله اجاق گاز گرم کنید. حالا مشاهده کنید که چگونه رنگ پخش می‌شود و چقدر طول می‌کشد تا رنگ به بالا برسد. این آزمایش یک روش عالی و ساده است تا بهتر درک کنید که فرآیند همرفت چیست.

در ظرفی که روی اجاق است، انرژی گرمایی باعث می‌شود رنگ به سرعت در حلقه‌هایی مشخص به سمت بالا حرکت کند (همرفت داریم). در واقع شعله اجاق، کف ظرف و در نتیجه لایه آب نزدیک به کف را به سرعت داغ می‌کند، در نتیجه چگالی آب کاهش می‌یابد (انبساط حرارتی). سپس آب داغ و کم‌چگال توسط نیروی شناوری به سمت بالا رانده می‌شود. وقتی آب داغ به سطح می‌رسد، مقداری از گرمای خود را از دست می‌دهد، خنک‌تر و چگال‌تر شده و به طرفین سمت پایین حرکت می‌کند تا جای خود را به آب گرم بعدی بدهد.

بنابراین این حرکت دایره‌ای و توده‌ای، رنگ را بسیار سریع‌تر در کل ظرف پخش می‌کند. این در حالی است که در ظرف روی میز، فیزیک داستان کاملا متفاوت است و پخش شدن رنگ بسیار کندتر و از طریق فرآیندی به نام «نفوذ» (Diffusion) انجام می‌شود (همرفت نداریم). در این ظرف هیچ منبع گرمایی خارجی وجود ندارد که باعث حرکت توده‌ای آب شود. به همین دلیل انتقال رنگ در آن بر اساس حرکت کاتوره‌ای (تصادفی) مولکول‌های رنگ بین مولکول‌های آب انجام می‌شود.

همچنین دلیل کند بودن این فرآیند این است که مولکول‌ها با برخورد با یکدیگر به‌ تدریج فضای خالی را پر می‌کنند. چون آب در دمای محیط حرکت جهت‌دار توده‌ای ندارد، پس رنگ باید ذره‌ ذره و با تکیه بر نفوذ مولکولی پخش شود. به همین علت رنگ به‌صورت ابری غلیظ در پایین می‌ماند و زمان زیادی طول می‌کشد تا به کل ظرف برسد. بنابراین با انجام این آزمایش بهتر متوجه خواهید شد که تفاوت نفوذ و همرفت چیست.

پاسخ به چند سوال مهم در مورد همرفت

در انتهای این مطلب از مجله فرادرس با پاسخ دادن به چند سوال مهم، به شما کمک می‌کنیم تا بهتر متوجه شوید همرفت چیست و چه تفاوت‌هایی با دیگر روش‌های انتقال گرما مانند رسانش و تابش دارد.

همرفت چگونه کار می‌ کند؟

همرفت بر این اساس کار می‌کند که بخش‌هایی از یک مایع یا گاز بیشتر از محیط اطراف خود گرم یا سرد می‌شوند. این مسئله اختلاف دما ایجاد می‌کند و این تفاوت‌های دمایی موجب می‌شوند این نواحی حرکت کنند. در نتیجه نواحی داغ‌تر و کم‌چگال‌تر بالا رفته و نواحی خنک‌تر و چگال‌تر فرو می‌روند.

دقت کنید اغلب نواحی گرمایش و سرمایش ثابت هستند و اجازه می‌دهند چرخه‌ها یا جریان‌های همرفتی تثبیت شوند. برای مثال، یک قابلمه آب روی شعله ممکن است جریان‌های همرفتی ایجاد کند، زیرا آب از پایین گرم می‌شود، به سطح بالا می‌رود و سرد می‌شود. وقتی آب به اندازه کافی سرد شد، به پایین قابلمه فرو می‌رود، جایی که چرخه تکرار می‌شود.

چرا همرفت مهم است؟

همرفت فرآیند مهمی است که به بازتوزیع انرژی از نواحی داغ‌تر به خنک‌تر در زمین کمک می‌کند. در نتیجه گردش دما داریم و تفاوت‌های شدید دمایی کاهش پیدا می‌کنند. بدون همرفت انجام کارهای ساده‌ای مانند جوشاندن آب در کتری بسیار کندتر صورت می‌گرفت، چون فقط آبی که مستقیما با حلقه حرارتی ته کتری در تماس است می‌توانست گرم شود، در حالی که آب در قسمت بالا سرد باقی می‌ماند.

همرفت چگونه بر آب‌ و هوا تاثیر می‌ گذارد؟

همرفت در جو اغلب در آب‌ و هوای ما قابل‌مشاهده است. برای مثال، همان‌طور که خورشید سطح زمین را گرم می‌کند، هوای بالای آن گرم شده و بالا می‌رود. اگر شرایط اجازه دهد، این هوا می‌تواند به بالا رفتن ادامه دهد و همان‌طور که بالا می‌رود، سرد شود و ابرهای کومولوس (کومه‌ای) را تشکیل دهد. همرفت قوی‌تر می‌تواند منجر به ایجاد ابرهای بسیار بزرگ‌تر شود، چون هوا قبل از سرد شدن بالاتر می‌رود و گاهی اوقات ابرهای کومولونیمبوس (کومه‌ای‌بارا) و حتی طوفان‌های تندری تولید می‌کند.

آیا همرفت قابل مشاهده است؟

می‌دانیم همرفت همان حرکت صعودی نواحی گرم‌تر یک مایع یا گاز و حرکت نزولی نواحی خنک‌تر مایع یا گاز است که گاهی یک چرخه کامل را تشکیل می‌دهد. مشاهده همرفت اغلب دشوار است، به‌ویژه در هوا. با این وجود اگر ابرهای همرفتی در طول یک روز آفتابی تشکیل شوند، اغلب می‌توان آن‌ها را مشاهده کرد که اندازه آن‌ها بزرگ‌تر شده و قد می‌کشند، چرا که هوای بیشتری از سطح بالا می‌رود و در ارتفاعات بالاتر درون ابر متراکم می‌شود.

همرفت چگونه بر جریان‌ های اقیانوسی تاثیر می‌ گذارد؟

جریان‌های اقیانوسی مانند چرخش‌های تسمه نقاله‌ای هستند که به توزیع گرما از استوا به سمت قطب‌ها کمک می‌کند. این جریان‌ها به علت اثرات دمای اقیانوس و شوری (غلظت نمک درون آب) بر چگالی، تحت تاثیر همرفت قرار می‌گیرند. آب‌های گرم اقیانوسی در نزدیکی استوا توسط الگوهای غالب باد به سمت قطب‌ها رانده شده و به عرض‌های جغرافیایی بالاتر برده می‌شوند، جایی که از طریق تبخیر و تعامل با بادهای سردتر خنک می‌شوند.

در نتیجه شوری افزایش و دما کاهش می‌یابد که باعث می‌شود آب‌ها چگال‌تر شوند و از طریق فرآیند همرفت فرو روند. این فرآیند فرورفتن، «فروپاشی» (Downwelling) نام دارد که در هدایت جریان‌های اقیانوسی حیاتی است. بنابراین بدون همرفت، آب‌ها قادر به بالا آمدن یا فرو رفتن نبودند و این مسئله منجر به توقف انتقال آب بین قطب‌ها و استوا می‌شد.