دمای محیط چنان اهمیتی دارد که هرگونه حیاتی کاملاً به آن وابسته است. دو سیارهٔ نزدیک به زمین یعنی زهره (ناهید) و مریخ (بهرام) را در نظر بگیرید. دمای زهره چنان زیاد است که اگر دمای زمین به آن مقدار برسد، حتی برخی از فلزها در آن ذوب می‌شوند و مریخ نیز آن چنان سرد است که همه چیز روی آن یخ می‌زند جست‌وجوی حیات روی سیارهٔ دیگر بر اساس وجود آب در حالت مایع در آن سیّاره انجام می‌شود. در صورتی آب به حالت مایع وجود خواهد داشت که دمای محیط مناسب باشد.
در این فصل نخست با مفهوم دما و دماسنجی سپس با گرما، روش‌های انتقال آن و عایق‌بندی گرمایی آشنا می‌شوید.

دما

دمای جسم‌هایی که روزانه با آنها سر و کار داریم و محیطی که در آن زندگی می‌کنیم، معمولاً تأثیر زیادی در کار و فعّالیت ما دارد؛ مثلاً در زمستان برای گرم کردن خانه، مدرسه یا محل کار، همچنین در تابستان برای خنک کردن این محیط‌ها، کارهای زیادی انجام می‌شود؛ حتی پوششمان نیز بسته به فصل‌های سال تغییر می‌کند. (برای گرم کردن یا سرد کردن خانه و مدرسه از وسایل مختلفی استفاده می‌شود.

گیاهان و جانوران نیز تحت تأثیر محیطی‌اند که در آن زندگی می‌کنند؛ به همین دلیل است که شکل گیاهان و جانوران مشابه در مناطق گرمسیری با جانوران و گیاهان مناطق سردسیری تفاوت دارد. (رنگ خرس قطبی با خرس‌های دیگر متفاوت است.)

فعّالیت (صفحهٔ ۸۳ کتاب درسی)

در مورد پوشش، رنگ لباس و روش گرم کردن منزل مسکونی و عایق‌بندی ساختمان‌ها در نواحی سردسیر و نواحی گرمسیر تحقیق کنید و به کلاس گزارش دهید (تشابه‌ها و تفاوت‌ها را مشخص کنید).
در نواحی گرمسیر: لباس‌ها به رنگ روشن است. خیلی نیازی به گرم کردن خانه نیست. برای گرم کردن آب از تانکرهایی در پشت بام منزل‌ها استفاده می‌شود و نیازی به گرم کننده‌ٔ آب نیست.
در نواحی سردسیر: لباس و پوشش به رنگ تیره است. پشت بام‌ها عایق بندی و ایزوگام می‌شوند. از شوفاژ و بخاری برای گرم کردن منزل استفاده می‌شود. برای جلوگیری از اتلاف انرژی از پنجره‌ٔ دو جداره استفاده می‌شود. برای عایق‌بندی سقف‌های شیروانی خانه‌ها از یونولیت و پشم شیشه استفاده می‌شود. دیوارهای آجری که برای ساختن این بناها استفاده می‌شود. به صورت دیوار آجری دو لایه است که یک ماده‌ٔ عایق گرما در وسط آن قرار می‌گیرد.

هر چه جسمی گرم‌تر باشد، دمای آن بیشتر است؛ مثلاً دمای یک فنجان چای داغ بیشتر از دمای یک فنجان آب خنک است. با استفاده از حس لامسهٔ خود تشخیص می‌دهیم چه جسمی داغ و چه جسمی سرد است؛ اما نمی‌توانیم به طور دقیق، مقدار گرمی و سردی آن را مشخص کنیم. وقتی می‌خواهیم ببینیم فردی تب دارد یا نه، معمولاً دست خود را روی پیشانی او قرار می‌دهیم و با مقایسهٔ دمای بدن او با دمای بدنمان تشخیص می‌دهیم که شخص تب دارد یا خیر؛ حتی اگر تشخیص دهیم که بیمار تب دارد، نمی‌توانیم تشخیص دهیم او چند درجه تب دارد و برای این منظور از دماسنج استفاده می‌کنیم.

آیا می‌دانید
در ساحل دریاهای آزاد مانند خلیج فارس آب در دمای صفر درجه سلسیوس یخ می‌بندد و در دمای ۱۰۰ درجهٔ سلسیوس می‌جوشد.

آزمایش کنید (صفحهٔ ۸۳ کتاب درسی)

 

در سه ظرف مشابه به طور جداگانه، آب سرد، آب معمولی و آب گرم بریزید. دست راست را در آب گرم و دست چپ را در آب سرد قرار دهید و حدود ۳۰ ثانیه صبر کنید. حال هر دو دست را بیرون آورید و در آب معمولی قرار دهید و احساس خود را بیان کنید.

احساس می‌کنیم دست راست سرد و دست چپ گرم می‌شود.
وقتی دست خود را در آب گرم قرار می‌دهیم دمای سطحی پوست زیاد می‌شود. وقتی دما زیاد شود یعنی انرژی گرمایی گرفته‌ایم، و وقتی دست خود را در آب سرد قرار می‌دهیم دمای سطحی پوست کاهش می‌یابد. وقتی دما پایین می‌آید یعنی انرژی گرمایی از دست داده‌ایم. حال وقتی بعد از ۳۰ ثانیه دو دست را در آب معمولی قرار می‌دهیم دستی که سرد بود در حال گرفتن گرما و دستی که در آب گرم بود در حال از دست دادن گرما می‌باشد و دست ما حالت گزگز می‌گیرد ولی بعد از تقریباً ۳۰ دقیقه هر دو دست ما دوباره هم دما شده و اصطلاحاً به دمای تعادل می‌رسد.

دماسنج: دماسنج وسیله‌ای است که با استفاده از آن دما را اندازه می‌گیریم؛ مثلاً با استفاده از دماسنج پزشکی می‌توانیم دمای بدن فرد بیمار را با دقت اندازه‌گیری کنیم.

وقتی دما کم باشد، ارتفاع الکل یا جیوه در لوله کم است و با افزایش دما، ارتفاع الکل زیاد می‌شود.

دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی رایج‌ترین دماسنج‌ها هستند. اگر این دماسنج‌ها را در محیط گرم قرار دهیم، جیوه یا الکل درون مخزن آنها منبسط می‌شود و از لولهٔ نازک بالا می‌رود. در این حالت ارتفاع الکل رنگی یا جیوهٔ درون لوله، دمای محیط را نشان می‌دهد.

استفاده از دماسنج‌های مختلف پزشکی برای تعیین دمای بدن بیمار.

برای درجه‌بندی دماسنج‌های الکلی و جیوه‌ای، ابتدا مخزن آنها را در مخلوط آب و یخ قرار می‌دهند و سطح جیوه یا الکل را با صفر نشانه گذاری می‌کنند؛ سپس دماسنج را در مجاورت بخار آب در حال جوش قرار می‌دهند و سطح مایع درون دماسنج را با عدد ۱۰۰ علامت گذاری می‌کنند. بین این دو عدد (صفر تا ۱۰۰) را به صد قسمت مساوی تقسیم کرده‌اند و هر قسمت را یک درجهٔ سلسیوس می‌نامند؛  یعنی آب در دمای صفر درجهٔ سلسیوس یخ می‌زند و در دمای ۱۰۰ درجه  می‌جوشد (البته در فشار یک اتمسفر که فشار هوای کنار دریاهای آزاد است.)

برای اندازه‌گیری دمای یک جسم با دماسنج الکلی یا جیوه‌ای، مخزن دماسنج را در تماس با جسم مورد نظر قرار می‌دهیم و مدتی صبر می‌کنیم تا ارتفاع مایع در لوله باریک دیگر تغییر نکند؛ آن گاه عددی را که مایع در آن ارتفاع قرار دارد؛ می‌خوانیم. این عدد همان دمای جسم است.

آیا می‌دانید
دماسنج‌های نواری با تغییر رنگ و دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی با تغییر حجم، دما را نشان می‌دهند.

بیشتربدانید
لولهٔ دماسنج معمولاً بلند و نازک انتخاب می‌شود تا یک تغییر کوچک در حجم جیوه یا الکل بتواند به تغییر ارتفاع قابل ملاحظه‌ای در لوله بینجامد.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۴ کتاب درسی)

 

به همراه گروه خود نخست به طراحی یک دماسنج بپردازید و سپس با آوردن وسایل مورد نیاز، آن دماسنج را بسازید ودرجه‌بندی کنید. با استفاده از این دماسنج چند اندازه‌گیری را انجام دهید.
۱- یک بالن آزمایشگاهی ۵۰۰cc را برداشته و آن را با یک محلول رنگی پر می‌کنیم.
۲- یک درپوش چوب پنبه‌ای را به اندازه‌ٔ قطر لوله‌ٔ شیشه‌‌ای سوراخ می‌کنیم. لوله را طوری نصب می‌کنیم که هیچ منفذی برای عبور محلول و هوا نباشد.
۳- درون لوله کمی از محلول اضافه می‌کنیم.
۴- بالن را در مخلوط آب و یخ فرو می‌کنیم و مقابل سطح محلول رنگی، روی لوله علامت می‌گذاریم و عدد صفر را به آن نسبت می‌دهیم.
۵- بالن را داخل آب در حال جوش وارد می‌کنیم و مقابل سطح آن، روی لوله علامت می‌گذاریم و عدد ۱۰۰ را به آن نسبت می‌دهیم.
بین دو علامت را به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم و هر قسمت را یک درجه‌ٔ سلسیوس می‌نامیم.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۴ کتاب درسی)

 

در هر یک از موارد زیر ابتدا دما را پیش‌بینی، و سپس با استفاده از یک دماسنج آن را اندازه‌گیری و جدول را کامل کنید و به کلاس گزارش دهید. توجه کنید برای اندازه‌گیری دما، دماسنج به اندازهٔ کافی در تماس با جسم مورد نظر قرار گیرد.

ردیف جسم مورد اندازه‌گیری پیش‌بینی دما
(درجۀ سلسیوس)
دمای اندازه‌گیری شده
(درجۀ سلسیوس)
۱ آب لوله کشی ۲۵ ۳۰
۲ مخلوط آب و یخ ۰ ۰
۳ مخلوط نمک و یخ خرد شده ۱۰- ۱۲-
۴ چای داغ ۹۰ ۷۰
۵ هوای کلاس ۲۵ ۲۵
۶ هوای داخل یخچال ۲ ۵

گرما

برای آشنایی با مفهوم دمای تعادل و گرما آزمایش زیر را انجام دهید.

آزمایش کنید (صفحهٔ ۸۵ کتاب درسی)

 

وسایل و مواد: لیوان، دماسنج، میخ نسبتاً بزرگ و انبرک یا دم باریک
روش آزمایش
۱- لیوان را تا نیمه از آب سرد پر کنید و دمای آن را اندازه بگیرید.
۲- میخ را به کمک انبرک روی شعلهٔ اجاق قرار دهید و پس از داغ شدن، داخل لیوان بیندازید.
۳- دوباره دمای آب را اندازه بگیرید.
۴- نتیجهٔ مشاهدهٔ خود را گزارش کنید. در این آزمایش دمای آب چگونه تغییر کرده است؟ دمای میخ چطور؟ آب انرژی از دست داده است یا میخ؟ کدام یک انرژی گرفته‌اند؟
وقتی میخ داغ را درون آب سرد بشر (لیوان) بیاندازیم در آن لحظه آب اطراف میخ شروع به جوشیدن می‌کند و ناگهان قطع می‌شود. چون دمای میخ حدوداً به ۱۰۰ درجه رسیده است در لحظه تماس با آب سرد ۲۰ درجه می‌شود. در نتیجه به صورت ناگهانی میخ گرمای خود را به آب می‌دهد و ما جوشش را می‌بینیم. ولی بعد از چند دقیقه میخ و آب هر دو به یک دما رسیده‌اند. دمای آب بالا رفته است ولی دمای میخ پایین آمده است. میخ انرژی را به شکل گرمایی از دست داده است و آب انرژی گرفته است و هم دما می‌شوند یعنی به دمای تعادل می‌رسند.

فکر کنید (صفحهٔ ۸۵ کتاب درسی)

 

اگر درون آب به جای میخ داغ، میخ سردی که درون یخ زن (فریزر) یا جایخی قرار داشته است، بیندازیم، چه اتفاقی می‌افتد؟ دمای میخ و آب چگونه تغییر می‌کنند؟ این بار کدام یک انرژی از دست می‌دهد و کدام یک انرژی می‌گیرد؟ دمای آب کاهش می‌یابد و دمای میخ افزایش می‌یابد. آب انرژی از دست می‌دهد و میخ انرژی می‌گیرد.

آیا می‌دانید
برای دقت بیشتر باید لولهٔ باریک دماسنج و خط نشان مایع دماسنجی را در خط افق در مقابل دیدگان قرار دهیم.

از این آزمایش و آزمایش‌های مشابه نتیجه می‌گیریم، وقتی دو جسم با دماهای متفاوت درتماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، دمای جسم گرم کم، و دمای جسم سرد زیاد می‌شود. این فرایند آن قدر ادامه پیدا می‌کند تا دمای دو جسم یکسان شود. این دما را دمای تعادل دو جسم می‌نامیم و در این حالت می‌گوییم دو جسم با یکدیگر در تعادل گرمایی‌اند.

مدتی پس از تماس دو جسم سرد و گرم، دو جسم هم دما می‌شوند و به دمای تعادل می‌رسند.

آیا می‌دانید
گرم‌ترین نقطهٔ روی زمین، ناحیه‌ای در کویر لوت است که دمای آن تا حدود ۷۰ درجه سلسیوس و سردترین نقطه در قطب جنوب است که دمای آن تا ۸۹- درجه گزارش شده است.

به مقدار انرژی‌ای که در اثر اختلاف دما از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود، گرما می‌گویند. در آزمایش قبل در حالتی که میخ داغ را درون آب سرد می‌اندازیم، میخ انرژی از دست می‌دهد و آب انرژی می‌گیرد؛ به عبارت دیگر میخ به آب گرما می‌دهد. وقتی ظرف غذا را روی اجاق قرار می‌دهیم، چون اجاق از ظرف گرم‌تر است، انرژی به ظرف منتقل می‌شود؛ به عبارت دیگر اجاق به ظرف غذا، گرما می‌دهد؛ یعنی به طور طبیعی گرما همواره از جسم گرم به جسم سرد منتقل می‌شود.

همان‌طور که گفته شد، گرما نوعی انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو جسم درتماس باهم  منتقل می‌شود؛ بنابراین یکای آن ژول است (J) است. ازیکای ژول برای همۀ شکل‌های انرژی استفاده می‌کنند.

جسمی که گرم‌تر است، دمای آن بیشتر است و مولکول‌هایش جنب و جوش بیشتری دارند؛ یعنی انرژی مولکول‌ها به طور متوسط بیشتر از جسمی است که سردتر است. در جسم سردتر، جنب و جوش مولکول‌ها کمتر است؛ یعنی به طور متوسط مولکول‌ها انرژی کمتری دارند. وقتی ظرف آبی را روی شعله قرار می‌دهیم، انرژی داده شده به آب، سبب افزایش انرژی مولکول‌های آب می‌شود و جنبش مولکول‌ها افزایش می‌یابد و در نتیجه دمای آب هم بیشتر می‌شود.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۶ کتاب درسی)

 

دو محفظۀ A و B که در آن‌ها مولکول‌های یکسانی قرار دارند را در نظر بگیرید، محفظۀ A داغ و محفظۀ B سرد است.
الف) جنبش مولکولی A و B را با هم مقایسه کند.
چون گرما شکلی از انرژی است پس جسمی Aکه داغ است ذرات آن دارای انرژی زیادی است. بنابراین جنبش مولکولی ماده زیاد، در نتیجه هر مولکول به مولکول مجاور ضربه  می‌زند. ذرات ماده جامد در جای خودشان در حال جنبش و نوسان و لرزش‌اند. هر چه دما بیشتر باشد مولکول‌ها با سرعت بیشتری می‌لرزند ولی در جسم B که سرد است جنبش مولکولی کم و لرزش مولکول‌ها در سر جایش بسیار کمتر است.
ب ) اگر دو محفظه را در تماس با یکدیگر قرار دهیم، جنبش مولکولی کدام محفظه کم و کدام محفظه زیاد می‌شود؟ چون جسم گرم انرژی گرمایی را به جسم سرد منتقل می‌کند تا به دمای تعادل برسند. بنابراین جنبش مولکولی جسم B که سرد است در حال زیاد شدن و جسم A که گرم است بر اثر از دست دادن گرما جنبش آن کم می‌شود تا به دمای تعادل برسند.
پ) پس از رسیدن به حالت تعادل، جنبش مولکولی دو محفظه را با هم مقایسه کنید. دمای تعادل دیگر مقدار انرژی که جسم از دست می‌دهد و مقدار انرژی که جسم به دست می‌آورد یکسان است. بنابراین جنبش مولکولی جسم  A B یکسان می‌شود

محفظه A

محفظه B

انتقال گرما

همان‌طور که دیدیم، گرما شکلی از انرژی است؛ بنابراین مانند هر انرژی دیگری می‌تواند منتقل شود و در انتقال آن نیز همواره قانون پایستگی انرژی برقرار است. گرما به روش‌های مختلفی از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود که در اینجا به آنها می‌پردازیم.

رسانش: هرگاه یک سر میلهٔ فلزی را روی شعله قرار دهید، طولی نمی‌کشد که سر دیگر آن، که در دست شماست، آن قدر داغ می‌شود که دیگر نمی‌توانید آن را نگه دارید. گرما از سری که روی شعله قرار دارد  وارد می‌شود و آن را داغ می‌کند. با توجه به اختلاف دمای دو سر میله گرما از سر داغ به سمت دیگر میله منتقل می‌شود. این نوع انتقال گرما را رسانش گرمایی می‌نامیم.

گرما از سر داغ به سر دیگر منتقل می‌شود.

در رسانش گرمایی، گرمای شعله سبب می‌شود که جنبش اتم‌های سِر گرم شدهٔ میله، بیشتر شود و در اثر برخورد با اتم‌های مجاور، انرژی به آنها منتقل کند و در نتیجه سبب افزایش جنبش اتم‌های مجاور شود؛ بدین ترتیب اتم‌ها بدون رفتن از جایی به جای دیگر انرژی خود را منتقل می‌کنند.

گرمای شعله سبب جنبش بیشتر اتم‌های سر میله می‌شود.

آزمایش کنید (صفحهٔ ۸۷ کتاب درسی)

 

وسایل و مواد: سه میلهٔ هم طول و هم ضخامت از جنس مس، فولاد یا آهن و شیشه، شمع، کبریت، سه پایه و پارافین.

روش آزمایش
۱- به کمک پارافین به سر میله‌ها، چوب کبریت بچسبانید.
۲- مطابق شکل سر دیگر میله‌ها را روی شعله قرار دهید.
۳- مدتی صبر کنید تا چوب کبریت‌ها بیفتند.
۴- نتیجهٔ مشاهدات خود را بنویسید و دربارهٔ آن گفت‌وگو کنید. در این آزمایش کدام میله سریع‌تر از بقیه گرما را منتقل می‌کند؟ به مس زودتر از بقیه می‌افتد. بعد چوب کبریت متصل به آلومینیوم می‌افتد و بعد چوب کبریت متصل به آهن
کدام میله گرما را بسیار کند منتقل می‌کند؟ میله مسی سریع‌تر از بقیه گرما را منتقل می‌کند و میله‌ٔ آهنی گرما را بسیار کند منتقل می‌کند.

به اجسامی مانند شیشه، چوب، لاستیک، هوا، پشم، چوب پنبه و.. که گرما را بسیار آهسته منتقل می‌کنند، نارسانا یا عایق گرما گویند و به اجسامی مانند انواع فلزها که گرما را بسیار سریع منتقل می‌کنند، رسانای گرمایی گویند.

آزمایش نشان می‌دهد برخی از فلزها نسبت به فلزهای دیگر رسانای بهتری برای گرما هستند. پشم شیشه و فایبرگلاس به علت داشتن هوای محبوس نارسانای خوب به شمار می‌روند.

آیا می‌دانید
وجود هوا در لابه لای پشم و پر سبب کاهش میزان رسانایی گرمایی می‌شود.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۸ کتاب درسی)

 

با استفاده از وسایل در دسترس، یک لیوان عایق دردار طراحی کنید و بسازید؛ سپس مقداری آب داغ در آن بریزید و دمای آب را اندازه بگیرید. پس از یک ساعت دوباره دمای آب را اندازه بگیرید. ظرف کدام گروه گرمای کمتری را منتقل کرده است؟ کدام ظرف گرمای بیشتری را منتقل کرده است؟ ظرف گروهی که لیوان آنها عایق بهتری است کم‌ترین انتقال گرما را دارد. (دمای آب تغییر چندانی نداشته است) و ظرف گروهی که لیوان آن‌ها عایق خوبی برای گرما نیست بیشترین انتقال گرما را دارد. (داخل آن خیلی سرد شده است.)

همرفت: آیا تاکنون آب در حال جوش را در یک ظرف مشاهده کردید؟ حباب‌ها در ته ظرف تشکیل می‌شوند و به سمت بالا حرکت می‌کنند. با حرکت آب داغ از ته ظرف به سمت بالا آب سرد بالای ظرف به سمت پایین حرکت می‌کند. در واقع آب با جابه‌جا شدن، گرما را منتقل می‌کند. به این روش انتقال گرما، همرفت می‌گویند. در انتقال گرما به روش همرفت قسمتی از مایع یا گاز که گرم شده است به طرف بالا حرکت می‌کند و قسمت‌های اطراف آن، که سردترند، جای آن را می‌گیرند.

آب گرم شده به سمت بالا حرکت می‌کند و آب سرد جای آن را می‌گیرد.

آزمایش کنید (صفحهٔ ۸۸ کتاب درسی)

 

وسایل و مواد: یک ظرف شیشه‌ای نشکن، منبع گرما (شمع یا چراغ گاز یا چراغ الکلی)، قطره‌چکان، جوهر
روش آزمایش
۱- تا سه چهارم ظرف شیشه‌ای را با آب پر کنید و آن را مطابق شکل روی شعله قرار دهید.
۲- با قطره چکان، چند قطره جوهر در یک طرف ظرف بریزید.
۳- به مسیر حرکت جوهر توجه، و مشاهدات خود را به طور دقیق یادداشت کنید. مشاهده می‌کنیم جوهر از بالای ظرف به سمت پایین می‌آید سپس به طرف قسمتی از ظرف که بالای شمع قرار دارد رفته، دوباره به سمت بالا می‌رود و حرکت چرخشی پیدا می‌کند و به تدریج جوهر در کل آب پخش می‌شود.
۴- در گروه خود دربارهٔ علت رفتار مشاهده شده، بحث کنید. وقتی آب را از پایین گرم می‌کنیم، مولکول‌های آن تندتر حرکت می‌کنند و بیشتر از هم دور می‌شوند؛ یعنی آب منبسط می‌شود. در نتیجه چگالی آن کم می‌شود و به طرف بالا رانده  می‌شود. در این هنگام آب خنک‌تر، جای آبی را می‌گیرد که گرم شده و به طرف بالا رفته است  با تکرار این فرایند، همهٔ آب گرم می‌شود. علت این است که مولکول‌های قسمتی از آب که نزدیک شمع هستند زودتر از بقیه قسمت‌ها گرم شده، سبک می‌شوند و به سمت بالا می‌روند و آب قسمت دیگر ظرف که خنک‌تر است، جای آن را می‌گیرد. به این ترتیب گرما به روش همرفت منتقل می‌شود.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۸ کتاب درسی)

 

دو بشر هم اندازه انتخاب کنید. یکی را از آب و دیگری را از ماسه پر کنید و آن را در آفتاب قرار دهید. هر ۳۰ دقیقه یک بار دمای آنها را اندازه‌گیری و یادداشت کنید و سپس نمودار دما برحسب زمان آنها را رسم کنید، از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟ مشاهد می‌شود که ماسه به علت جامد بودن با روش رسانایی گرم بسیار سریع گرم می‌شود. ولی آب به علت رسانایی کم و ظرفیت گرمایی بالایی که دارد و اینکه با روش همرفتی باید گرم شود میزان گرفتن گرما و گرم شدنش بسیار کم‌تر از ماسه است. مثل دریا، شما وقتی در طول روز در ساحل هستید، شن‌های ساحل بسیار داغ هستند در صورتی که در همان زمان وقتی شما در آب می‌روید خنک است.

جریان‌های همرفتی می‌توانند هوا را نیز به حرکت در آورند و باد تولید کنند؛ مثلا در طول روز، ساحل دریا (خشکی) زودتر از آب دریا گرم می‌شود و دمای آن از دمای آب بالاتر می‌رود در نتیجه هوای خنک بالای آب به طرف ساحل می‌آید و هوای گرم روی ساحل به طرف بالا می‌رود. حاصل این فرایند نسیم دریاست.

جریان‌های همرفتی سبب ایجاد باد در ساحل دریا می‌شود.

فکر کنید (صفحهٔ ۸۹ کتاب درسی)

 

اگر در ساحل، آتش روشن کنید، متوجه می‌شوید در طول روز، دود به طرف خشکی و در طول شب به طرف دریا کشیده می‌شود. علت را توضیح دهید.
در طول روز دمای خشکی بیشتر از دمای دریاست. پس هوای مجاور خشکی گرم‌‌تر و در نتیجه سبک‌‌تر از هوای مجاور دریاست. بنابراین هوای مجاور خشکی بالا رفته و هوای مجاور دریا جای آن را می‌گیرد. به این ترتیب هوا از سمت دریا به طرف خشکی حرکت می‌کند. برعکس، در طول شب، دمای هوای مجاور دریا گرم‌تر و سبک‌تر از دمای هوای مجاور خشکی است. بنابراین، هوای مجاور دریا بالا رفته، هوای خشکی جای آن را می‌گیرد و هوا از سمت خشکی به طرف دریا حرکت می‌کند.

خود را بیازمایید (صفحهٔ ۸۹ کتاب درسی)

 

شکل زیر نحوهٔ گرم شدن اتاق را به وسیلهٔ یک رادیاتور نشان می‌دهد. توضیح دهید چگونه قسمت‌هایی از اتاق که با رادیاتور فاصله دارند، گرم می‌شوند. ابتدا هوای مجاور رادیاتور توسط آن گرم شده، سبک می‌شود و به سمت بالا می‌رود و هوای سرد اطراف جای آن را می‌گیرد و این پدیده تکرار می‌شود. به این ترتیب، هوای قسمت‌های دور از رادیاتور نیز گرم می‌شوند. در واقع گرما به روش همرفت مستقل می‌شود.

تابش: بیشتر انرژی گرمایی روی زمین از خورشید است. این انرژی سطح زمین را گرم می‌کند و انرژی مورد نیاز گیاهان، جانوران و… را تأمین می‌کند. آیا می‌دانید این انرژی چگونه به زمین می‌رسد؟ آیا این انرژی با فرایند رسانش به زمین می‌رسد؟ آیا ممکن است این انرژی به صورت همرفت به زمین رسیده باشد؟

همان‌طور که دیدیم برای انتقال گرما به روش همرفت و رسانش به محیط مادی نیاز است؛ ولی انرژی گرمایی خورشید از خلأ عبور می‌کند و به ما می‌رسد و ما را گرم می‌کند. این نوع انتقال انرژی، تابش گرمایی نامیده می‌شود.

فعّالیت (صفحهٔ ۸۹ کتاب درسی)

 

با همکاری معلم یا والدین خود یک اتوی برقی را روشن، و مدتی صبر کنید تا سطح اتو کاملاً داغ شود. پشت دست خود را مطابق شکل در فاصلهٔ چند سانتی‌متری زیر اتو قرار دهید. آیا گرمای اتو را در پشت دست خود احساس می‌کنید؟ آیا ممکن است گرما از طریق رسانش یا همرفت به پشت دست شما رسیده باشد؟ توضیح دهید.
خیر، زیرا رسانایی در جامدات و همرفتی در مایع و گاز اتفاق می‌افتد. در صورتی که بین دست ما و اتو فاصله بسیار اندکی وجود دارد. گرمای خورشید از طریق تابش از خلأ می‌گذرد و به ما می‌رسد. در تابش خورشید و اتو پرتوهای نامرئی وجود دارد. اتو مقدار زیادی موج نامرئی به نام فروسرخ تولید می‌کند. مثل گرمای سطح بدن ما و حیوانات که از نوع فروسرخ است.

همهٔ اجسام می‌توانند انرژی خود را به صورت تابش منتشر کنند؛ اما اجسام گرم‌تر، مقدار بیشتری انرژی تابشی منتشر می‌کنند؛ مثلاً سطح خورشید که دمای بالایی دارد، انرژی تابشی زیادی گسیل می‌کند.

وقتی در یک روز آفتابی در حال پیاده روی هستید، پرتوهای خورشید به شما برخورد می‌کنند. قسمتی از پرتوها جذب بدن شما می‌شوند و شما را گرم‌تر می‌کنند و قسمتی از پرتوها بازتابش می‌کنند.

در یک آزمایش، بخاری برقی استوانه‌ای بین دو ورقهٔ فلزی قرارداده شده است. سطح‌هایی از ورقه‌ها که مقابل بخاری قرار دارند، یکی صیقلی و براق و دیگری سیاه و مات است. در طرف دیگر، ورقه‌های چوب پنبه‌ای توسط موم یا پارافین چسبانده شده است.
وقتی بخاری برقی را روشن می‌کنیم، خواهیم دید که چوب پنبهٔ پشت سطح سیاه، زودتر می‌افتد.

جذب تابش گرمایی

با انجام این آزمایش و آزمایش‌های مشابه می‌توان نتیجه گرفت که:
اجسام تیره و ناهموار، انرژی تابشی بیشتری را جذب می‌کنند و سطوح صاف و براق مقدار کمتری از انرژی تابشی را جذب، و بیشتر آن را بازتابش می‌کنند.

فکر کنید (صفحهٔ ۹۰ کتاب درسی)

 

کدام مورد بیشتر تابش گرمایی خورشید را جذب می‌کند؟ چرا؟
الف) آسفالت       ب) آینه

آسفالت، زیرا اجسام تیره و ناهموار انرژی تابشی بیشتری را جذب می‌کنند و سطوح صاف و براق مقدار کمتری از انرژی تابشی را جذب و بیشتر آن را بازتابش می‌کنند.

آزمایش کنید (صفحهٔ ۹۰ کتاب درسی)

 

وسایل و مواد: دو قوری یا لیوان کاملاً یکسان که رنگ یکی تیره و دیگری سفید باشد، دو دماسنج و یک فلاسک (دمابان) آب داغ.
روش آزمایش
۱- در هر یک از لیوان‌ها یا قوری‌ها، مقدار مساوی آب داغ بریزید و با دماسنج دمای آنها را اندازه‌گیری کنید.
۲- هر ۵ دقیقه دمای آب درون ظرف‌ها را اندازه‌گیری کنید و نمودار دما را بر حسب زمان برای هر یک از ظرف‌ها رسم کنید. از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟ لیوان تیره رنگ نسبت به لیوان سفید رنگ گرمای بیشتری جذب می‌کند و دمای آب درون آن زودتر پایین می‌آید. بنابراین آب داغ در لیوان تیره رنگ زودتر و آب داغ در لیوان سفید رنگ دیرتر سرد می‌شود. نتیجه می‌گیریم سطح تیره انرژی تابشی بیشتری جذب می‌کند.

فناوری و کاربرد

موتور خودرو: اگر دمای خیلی از چیزها را واپایش (کنترل) نکنیم، ممکن است خراب شوند؛ مثلاً اگر دمای موتور خودرو خیلی بالا رود، موتور آسیب جدی می‌بیند و حتی ممکن است بسوزد. برای جلوگیری از این اتفاق، سامانهٔ خنک کنندهٔ خودرو طراحی و ساخته شده است تا انرژی گرمایی موتور را به رادیاتور منتقل کند. رادیاتورها به صورت پهن و در نتیجه با سطح زیاد ساخته می‌شوند. این طراحی سبب از دست دادن گرما به صورت همرفت و تابش خواهد شد. علاوه بر این، خودروها پنکهٔ (فن) خنک کننده نیز دارند. هنگامی که موتور داغ شود، پنکه‌ها روشن می‌شوند و سبب دور شدن هوای داغ اطراف رادیاتور می‌گردند.

سامانۀ خنک کننده خودرو از گرم شدن بیش از حد موتور جلوگیری می‌کند.

کاهش اتلاف گرما در خانه: دمای مناسب برای داخل خانه یا محل‌های کار و مدرسه، بین ۱۸ تا ۲۰ درجه سلسیوس است. در روزهای سرد اختلاف دمای درون خانه و بیرون بسیار زیاد می‌شود و این اختلاف دما سبب اتلاف گرمایی زیادی می‌شود و ممکن است هزینهٔ زیادی را به خانواده تحمیل کند؛ به طوری که مجبور به پرداخت مبلغ کلانی برای قبض‌های برق و گاز شویم. برای جلوگیری از اتلاف گرمایی و سازگاری بیشتر با محیط زیست راه‌های مختلفی  وجود دارد. شکل زیر نشان می‌دهد که چطور می‌توان اتلاف گرما را در خانه کاهش داد و از هزینه‌های گرمایشی خانه کاست.

روش‌های مختلف جلوگیری از اتلاف گرما در خانه

آیا می‌دانید
انرژی مصرفی یک خانواده برای پخت و پز در طول سال حدود ۵ تُن گاز گلخانه‌ای را وارد جو می‌کند. برق مصرفی یک یخچال نیز در طول سال ۲ تن گاز گلخانه‌ای به محیط زیست اضافه می‌کند!

دمابان (فلاسک) خلأ: اگر بخواهید به مسافرت یا تفریح بروید، نوشیدنی داغ مانند چای را چگونه گرم نگه می‌دارید؟ نوشیدنی خنک مانند آبمیوه را چگونه خنک نگه می‌دارید؟ اگر این نوشیدنی‌ها را در محفظه‌ای قرار دهید و هر سه راه انتقال گرما به آن یا از آن به بیرون را ببندید، نوشیدنی داغ یا خنک می‌ماند. معمولا این کار را دمابان‌های (فلاسک‌های) خلأ انجام می‌دهند. شکل زیر یک نوع از این دمابان (فلاسک) و اجزای تشکیل دهنده آن را نشان می‌دهد. اصلی ترین جزء دمابان (فلاسک) یک بطری شیشه‌ای دو جداره است که بین آن خلأ است و روی سطح آن، هم از درون و هم از بیرون نقره اندود است. در گروه خود درباره نقش هر قسمت از دمابان (فلاسک) خلأ بحث کنید.

دمابان (فلاسک) خلأ می‌تواند مدت نسبتاً زیادی دمای جسم را تقریباً ثابت نگه دارد.

ارسال نظر

error: سایت در برابر کپی برداری محافظت شده است