دما، گرما و انتقال آن (علوم هفتم)

فصل 10 (علوم تجربی هفتم)

این فصل دو مفهوم نزدیک اما متفاوت را از هم جدا می‌کند — دما و گرما — و بعد نشان می‌دهد گرما چطور جابه‌جا می‌شود و چطور جلوی هدررفتنش را بگیریم.

دما و دماسنج

دما کمیتی است که نشان می‌دهد جسم چقدر گرم یا سرد است. حس لامسه فقط می‌تواند بگوید چیزی گرم‌تر است یا سردتر، ولی عدد دقیق نمی‌دهد؛ برای همین از دماسنج استفاده می‌کنیم.

لولهٔ دماسنج عمداً بلند و نازک ساخته می‌شود: تغییر کوچک در حجم مایع، در لولهٔ باریک جابه‌جایی بزرگ و قابل‌دیدن ایجاد می‌کند، پس دقت بالا می‌رود.

درجه‌بندی سلسیوس با دو نقطهٔ ثابت انجام می‌شود: مخزن در مخلوط آب و یخ ← عدد صفر؛ مخزن در بخار آب جوشان ← عدد ۱۰۰؛ فاصلهٔ این دو به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می‌شود و هر قسمت $1°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است.

این اعداد در فشار یک اتمسفر معتبرند.

گرما و دمای تعادل

گرما مقدار انرژی‌ای است که به دلیل اختلاف دما از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود. گرما همیشه از جسم گرم‌تر به سردتر می‌رود و یکایش ژول (J) است. دقت کن: گرما انرژی در حال انتقال است، نه انرژی ذخیره‌شده در جسم.

اگر میخ آهنی داغ را در آب سرد بیندازیم، دمای میخ کم و دمای آب زیاد می‌شود تا دمای هر دو برابر شود. به این دما دمای تعادل می‌گویند و از آن لحظه انتقال گرما متوقف می‌شود.

در سطح مولکولی: در جسم گرم‌تر مولکول‌ها تندتر حرکت می‌کنند و انرژی متوسطشان بیشتر است؛ در جسم سردتر کندتر. پس از رسیدن به تعادل گرمایی، انرژی متوسط مولکول‌های هر دو جسم برابر می‌شود. (گرم‌ترین نقطهٔ زمین کویر لوت ایران تا $70°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و سردترین نقطه در قطب جنوب تا $-89°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.)

سه روش انتقال گرما

۱) رسانش: انتقال گرما با تماس مستقیم اتم‌ها و مولکول‌ها، بدون جابه‌جا شدن ماده. سرِ داغ میله، اتم‌هایش تندتر ارتعاش می‌کنند و به اتم‌های کناری انرژی می‌دهند تا گرما به سر سرد برسد. فلزها (مس، آلومینیم، آهن) رسانای خوبی‌اند و شیشه، چوب، هوا، پشم و پنبه نارسانا (عایق). ترتیب رسانایی: مس > آلومینیم > آهن. پشم‌شیشه و فایبرگلاس چون هوای محبوس دارند عایق خوبی‌اند.

۲) همرفت: انتقال گرما با جابه‌جایی بخشِ گرم‌شدهٔ مایع یا گاز. آب پایین ظرف گرم می‌شود ← مولکول‌ها تندتر و فاصله‌شان بیشتر می‌شود ← چگالی کم می‌شود ← آب گرم بالا می‌رود و آب خنک جایش را می‌گیرد. همرفت فقط در مایع‌ها و گازها رخ می‌دهد. نسیم دریا و خشکی و بالا نصب نکردن رادیاتور شوفاژ (که پایین دیوار می‌گذارند تا جریان همرفتی کل اتاق را گرم کند) نمونه‌های همین روش‌اند.

۳) تابش: انتقال انرژی گرمایی به‌صورت امواج، که نیازی به محیط مادی ندارد و از خلأ هم عبور می‌کند. گرمای خورشید از ۱۵۰ میلیون کیلومتر خلأ فقط با تابش به ما می‌رسد.

سطح تیره و مات (مثل آسفالت) تابش را بیشتر جذب می‌کند؛ سطح سفید، صیقلی و براق (مثل آینه) آن را بیشتر بازتابش می‌دهد.

کاهش اتلاف گرما

دمای مناسب داخل خانه در فصل سرد $18°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تا $21°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است. هرچه اختلاف دمای داخل و بیرون بیشتر باشد، گرمای بیشتری هدر می‌رود؛ نتیجه‌اش قبض سنگین و آلودگی زیست‌محیطی است.

راه‌حل‌ها هرکدام یکی از سه روش انتقال را می‌بندند: سقف و دیوار عایق (رسانش و همرفت)، پنجرهٔ دوجداره با لایهٔ هوای محبوس (رسانش)، درزگیر لبهٔ در و پنجره (همرفت)، فرش و موکت (رسانش در کف)، مخزن آب با سطح نقره‌اندود (تابش).

دمابان خلأ (فلاسک) کامل‌ترین نمونه است، چون هر سه راه را می‌بندد: خلأ بین دو جداره رسانش و همرفت را ناممکن می‌کند، سطح نقره‌اندود تابش را بازتابش می‌دهد و درپوش عایق راه بالا را می‌بندد. به همین دلیل هم نوشیدنی داغ را داغ نگه می‌دارد و هم سرد را سرد — جهت انتقال فرقی نمی‌کند.

رادیاتور خودرو برعکس عمل می‌کند و هر سه روش را به کار می‌گیرد تا موتور خنک شود: جنس فلزی (رسانش)، رنگ تیره (تابش)، سطح بزرگ و فن خنک‌کننده (همرفت اجباری).

چند نکتهٔ خوب برای دانستن

مقیاس‌های دیگر دما: جز سلسیوس دو مقیاس دیگر هم داریم. فارنهایت (F) در آمریکا رایج است و آب در آن در $32°F$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی منجمد و در $212°F$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌جوشد: $F = \frac{9}{5}C + 32$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. کلوین (K) مقیاس علمی است و از صفر مطلق (پایین‌ترین دمای ممکن) شروع می‌شود: $K = C + 273$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی.

گرمای نهان: وقتی آبِ در حال جوشیدن به $100°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌رسد، حتی با روشن ماندن شعله دمایش بالاتر نمی‌رود تا همهٔ آب بخار شود. علتش این است که گرمای دریافتی صرف تغییر حالت می‌شود، نه بالا بردن دما. به همین دلیل دما در طول ذوب یا جوش ثابت می‌ماند.

درز انبساط: فلز با گرما منبسط می‌شود، پس در پل‌های فلزی و بین قطعات ریل راه‌آهن فاصله‌های کوچکی می‌گذارند تا فلز در تابستان آسیب نبیند.

اثر گلخانه‌ای در زهره: جو ضخیم $CO_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی زهره دمای سطح آن را به حدود $465°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی رسانده — هشداری دربارهٔ گرمایش جهانی.

تله‌های رایج

• دما و گرما یکی نیستند: دما گرمی یا سردی جسم را نشان می‌دهد (یکایش درجه)، گرما انرژیِ در حال انتقال است (یکایش ژول).
• دستگیرهٔ فلزی در زمستان سردتر «حس» می‌شود، ولی هم‌دمای هوای اتاق است؛ فلز فقط چون رسانای بهتری است، گرما را سریع‌تر از دست ما می‌گیرد.
• «سرما» چیزی نیست که منتقل شود؛ فلاسک و پنجرهٔ دوجداره جلوی انتقال گرما را می‌گیرند، نه ورود سرما.

نمونه سؤال

سؤال ۱. کدام‌یک از روش‌های انتقال گرما نیازی به محیط مادی ندارد و می‌تواند از خلأ هم عبور کند؟

۱) رسانش
۲) همرفت
۳) تابش
۴) هدایت الکتریکی

پاسخ: گزینهٔ ۳. رسانش به تماس مستقیم ذرات ماده نیاز دارد و همرفت به جابه‌جایی مایع یا گاز؛ هر دو به محیط مادی وابسته‌اند. تابش به شکل موج منتقل می‌شود و به ماده نیاز ندارد — دقیقاً به همین دلیل گرمای خورشید با وجود ۱۵۰ میلیون کیلومتر خلأ به زمین می‌رسد. «هدایت الکتریکی» اصلاً یکی از سه روش انتقال گرما نیست.

سؤال ۲. مقداری آب در حال جوشیدن است و دمایش روی $100°C$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ثابت مانده، در حالی که شعله زیر ظرف هنوز روشن است. کدام گزینه توضیح درست است؟

۱) آب پس از رسیدن به دمای جوش دیگر از شعله گرما دریافت نمی‌کند.
۲) گرمای دریافتی در این مرحله صرف تغییر حالت آب از مایع به بخار می‌شود، نه بالا بردن دما.
۳) دماسنج در دماهای بالای ۱۰۰ درجه دقتش را از دست می‌دهد.
۴) هنگام جوشیدن جهت انتقال گرما معکوس می‌شود و از آب به شعله می‌رود.

پاسخ: گزینهٔ ۲. در نقطهٔ جوش، گرمای اضافه‌شده به‌جای افزایش جنبش مولکولی (و در نتیجه دما)، صرف جدا کردن مولکول‌های آب برای تبدیل به بخار می‌شود. تا وقتی همهٔ آب بخار نشده، دما ثابت می‌ماند؛ به این پدیده «گرمای نهان» می‌گویند.