دما و گرما

دما :

دمای یک سیستم ویژگی است که تعیین می‌کند آیا یک سیستم با سیستم‌های دیگر در تعادل گرمایی قرار دارد یا خیر.

دید کلی
مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می‌رسند، به مغز خبر می‌دهند. اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می‌آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.

یک آزمایش ساده
دو ظرف یکسان انتخاب کرده ، در یکی آب گرم و در دیگری آب سرد بریزید. حال یک دست خود را در آب گرم و دست دیگر را در آب سرد فرو برید. حال هر دو دست را در آب نیم‌گرم وارد کنید. احساس شما چیست؟

قطعا دستی که ابتدا در آب گرم بوده است، آب نیمگرم را سردتر و دست دیگر آن را گرمتر احساس خواهد کرد. بنابراین با این آزمایش ساده می‌توان نتیجه گرفت که قضاوت ما در مورد دما می‌تواند نسبتا گمراه کننده باشد. علاوه بر این گستره حس دمایی ما محدود است و ما به یک معیار معین و عددی برای تعیین دما نیاز داریم.

دماسنج‌های اولیه
نخستین وسیله واقعی علمی برای اندازه‌ گیری دما در سال 1592 توسط گالیله اختراع شد. وی برای این منظور یک بطری شیشه‌ای گردن‌باریک انتخاب کرده بود. بطری با آب رنگین تا نیمه پر شده و وارونه در یک ظرف محتوی آب رنگین قرار گرفته بود. با تغییر دما ، هوای محتوی شکم بطری منبسط یا منقبض می‌شد و ستون آب در گردن بطری بالا یا پایین می‌رفت. در این وسیله ، گالیله توجه نداشت که مقیاس برای سنجش دما بکار ببرد، بطوری که وسیله وی ، بیشتر جنبه دما نما داشت تا جنبه دماسنج.

در سال 1635 ، فردیناند توسکانی ، که به علوم علاقه‌مند بود، دماسنجی ساخت که درآن از الکل استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام ، در سال 1640 ، دانشمندان آکادمی لینچی ، در ایتالیا ، نمونه‌ای از دماسنج‌های جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی ، از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند.

توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملا تکامل یافت و حال آنکه میان کشف امواج الکترومغناطیسی و ساختن نخستین تلگراف بی‌سیم ، یا میان کشف اورانیوم و نخستین بمب اتمی چند سالی بیشتر طول نکشید.

اندازه‌ گیری دما
برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات xy را به عنوان استاندارد که ما آن را دماسنج می‌نامیم، انتخاب می‌کنیم و مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام از منحنیهای همدمای آن ، اختیار می‌کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم.

قوانین گازها
همان وقت که اسحاق نیوتن در کمبریج درباره نور و جاذبه می‌اندیشید، یک نفر انگلیسی دیگر به نام رابرت بویل ، در آکسفورد سرگرم مطالعه در باب خواص مکانیکی و تراکم‌پذیری هوا و سایر گازها بود. بویل که خبر اختراع گلوله سربی اوتوفون گریکه را شنیده بود، طرح خویش را تکمیل کرد و دست به کار آزمایشهایی برای اندازه ‌گیری حجم هوا در فشار کم و زیاد شد.

نتیجه کارهای وی چیزی است که اکنون به قانون بویل-ماریوت معروف است و بیان می‌کند که حجم مقدار معینی از هر گاز در دمای معین با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود، بطور معکوس متناسب است با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود.

حدود یک قرن بعد ، ژوزف گیلوساک فرانسوی ، در ضمن مطالعه انبساط گازها ، قانون مهم دیگری پیدا کرد که بیان آن این است: فشار هر گاز محتوی در حجم معین به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش دما ، به اندازه 273/1 حجم اولیه‌اش افزایش می‌یابد. همین قانون را یک فرانسوی دیگر به نام ژاک شارل ، دو سال پیش از آن کشف کرده بود و از این رو اغلب آن را قانون شارل-گیلوساک می‌نامند. این دو قانون مبنای ساخت دماسنجهای گازی قرار گرفت.


انواع دماسنجها

دماسنج گازی
جنس ، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادارات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را بکار می‌برند، تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گستره دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. این دماسنج شامل حبابی از جنس شیشه ، چینی ، کوارتز ، پلاتین یا پلاتین ـ ایریدیم ، ( بسته به گستره دمایی که دماسنج در آن بکار می‌رود )، می‌باشد که به وسیله یک لوله موئین به فشارسنج جیوه‌ای متصل است. این دماسنج براساس دو قانون ذکر شده در مورد گاز کامل کار می‌کند.

دماسنج با مقاومت الکتریکی
دماسنج مقاومتی به صورت یک سیم بلند و ظریف است، معمولا آن را به دور یک قاب نازک می‌پیچند تا از فشار ناشی از تغییر طول سیم که در اثر انقباض آن در موقع سرد شدن پیش می‌آید، جلوگیری کند. در شرایط ویژه می‌توان سیم را به دور جسمی که منظور اندازه گیری دمای آن است پیچید یا در داخل آن قرار داد.

در گستره دمای خیلی پایین ، دماسنجهای مقاومتی معمولا از مقاومتهای کوچک رادیویی با ترکیب کربن یا بلور ژرمانیوم که ناخالصی آن آرسنیک است و جسم حاصل در درون یک کپسول مسدود شده پر از هلیوم قرار دارد، تشکیل می‌شوند. این دماسنج را می‌توان بر روی سطح جسمی که بمنظور اندازه گیری دمای آن است سوار کرد یا در حفرهای که برای این منظور ایجاد شده است، قرار داد.

دماسنج مقاومتی پلاتین را می‌توان برای کارهای خیلی دقیق در گستره 253– تا 1200 درجه سانتیگراد بکار برد.

ترموکوپل
ترموکوپل وسیله دیگری است که برای اندازه‌ گیری دما مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این نوع دماسنج از خاصیت انبساط و انقباض اجسام جامد استفاده می‌گردد. گستره یک ترموکوپل بستگی به موادی دارد که ترموکوپل از آن ساخته شده است. گستره یک ترموکوپل پلاتنیوم ـ رودیوم که 10 درصد پلاتینیوم دارد، از صفر تا 1600 درجه سانتیگراد است.

مزیت ترموکوپل در این است که بخاطر جرم کوچک ، خیلی سریع با سیستمی که اندازه‌ گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می‌آید. لذا تغییرات دما به آسانی بر آن اثر می‌کند، ولی دقت دماسنج مقاومتی پلاتین را ندارد.

واحد اندازه‌ گیری دما

•کلوین: کلوین مقیاس بنیادی دما در علوم است که سایر مقیاسها بر حسب آن تعریف می‌شوند.
•سلیسیوس یا سانتیگراد: مقیاس سلیسیوس بر اساس نقطه سه گانه آب می‌باشد. اگر t نشان‌دهنده دمای سلیسیوس و T نشان‌دهنده دمای کلوین باشد، در اینصورت داریم: 273.15 - t =T
•فارنهایت: این مقیاس هنوز هم در بعضی از کشورهای انگلیسی‌زبان به کار می‌رود و در کارهای علمی استفاده نمی‌شود.



کار و گرما

گرما نوعی انرژی است که از اجسام گرم به اجسام سرد منتقل می شود.

موتورهای حاوی گاز داغ ...

ما بدون « موتورهای گرمایی » نمی توانیم به نقاط دور دست مسافرت کنیم. در این موتورها از سوخت برای ایجاد گازهای داغ منبسط شده ودرنتیجه ایجاد حرکت، استفاده می شود. همچنین، این موتورها توان اتومبیلها وقایقها وموشکها را تأمین می کنند وژنراتورهای برق را راه اندازی می کنند.

توربینهای بخار ...

در نیروگاهها به کمک توربینهای بخار، گرمای تولید شده را به انرژی الکتریکی ( برق ) تبدیل می کنند. در مرکز این توربینها چرخی قرار دارد که از یکسری پره تشکیل شده و به یک میلة گردان وصل است. درون دیگ، آب تحت فشار زیادی جوشیده وبخاری با فشار بسیار زیاد تولید می کند. این بخار با شدت به پره های توربین برخود کرده و موجب چرخش آنها می شود. در یک توربین بخار که با دقت طراحی وساخته شده باشد، تنها یک سوم انرژی بخار صرف چرخاندن پره ها می شود.

موتورهای بنزینی ...

در موتورها ی بنزینی، دراثر یک انفجار، گاز بسیار داغی ایجاد می شود. این گاز به جای خروج از موتو، موجب حرکت یک پیستون می شود. در این نوع موتورها، مخلوطی از قطرات بنزین وهوا به عنوان سوخت موتور مورد استفاده قرار می گیرد. این مخلوط در داخل سیلنر ( استوانه ) توسط جرقةئ شمع منفجر می شود وگاز بسیار داغی تولید می کند. این گاز داغ، پیستون را به شدت به طرف پایین می راند.

داخل یک موتور بنزینی معمولی چه اتفاقی می افتد ؟ …

پیستون یک موتور بنزینی چهار ضربه ای به ترتیب، به طرف پایین، بالا، پایین وبالا حرکت می کند. حرکت پیستون به طرف پایین وبالا یک ضربه نا میده می شود و هر ضربه اثر متفاوتی بر گازهای داخل سیلندر دارد. این ضربه ها به همین ترتیب و مدام تکرار می شوند.

انبساط جامدات

چرا گرما جامدات را منبسط می کند ؟…

وقتی یک جسم جامد گرم می شود، مولکولهای آن با انرژی بیشتری ارتعاش می کنند وفاصلة مولکولها از یکدیگر نیز بیشتر می شود. در نتیجه، این جسم جامد در تمام جهات، اندکی بزرگتر ( منبسط ) می شود.

جریانهای همرفتی ( جابجایی )

انبساط وهمرفتی گرمایی ...

همرفت ، انتقال انرژی گرمایی توسط جریانهای مایع گرم ( یا گاز ) است.

هنگامی که یک قطره از مایع گرم شود‌، منبسط شده وحجمش افزایش می یابد. البته مقدار ماده ( جرم آن ) تغییری نمی کند و در حجم منبسط شده پخش می شود. بنابراین چگالی یک مایع گرم کمتر از چگالی مایع سرد اطراف آن می شود. پس در یک ظرف محتوی مایع گرم وسرد، مایع سرد به طرف ته ظرف پایین خواهد رفت ومایع گرم بالا خواهد آمد. این مثال ساده، علت ایجاد جریان همرفتی را نشان می دهد.

انبساط هوا

با گرم کردن هوا، انبساط آن وبا سرد کردن هوا، انقباض آن را خواهید دید.

وقتی یک بادکنک را در داخل ظرف آب جوش قرار دهید، هوای داخل آن منبسط می شود ( حجم بادکنک زیاد می شود ) و وقتی از ظرف خارج کنید، سرد شده وهوای داخل آن منقبض می شود ( حجم بادکنک کم می شود ). اندازه گیری انبساط هوا ...

وقتی که فشار گاز ثابت نگه داشته شود، حجم جرم معینی از گاز، متناسب با دمای کلوین آن است. به عبارت دیگر،

C مقدار ثابت = T دمای گاز بر حسب کلوین / حجم گاز V

رسانش گرما

قطعه ای از سیم مسی را بر روی شعلة چوب کبریت نگهدارید. گرما سریعأ در سیم مسی منتقل می شود. با اینکه حرکت گرما دیده نمی شود اما وقتی که به انگشت شما می رسد آن را احساس می کنید. به این نوع انتقال انرژی گرمایی، رسانش یا هدایت گرمایی می گویند.

آزمایش : آیا آب رسانای خوبی برای گرماست ؟

یک لولة آزمایش بلند را از آب سرد پر کنید وآن را بهصورت کج بر روی شعلة ملایم چراغ نگه دارید. مقداری پودر رنگی را بالای آب بریزید و وسط لولة آزمایش را بهآرامی حرارت دهید. بالا وپایین لوله را با دست لمس کنید تا دمای این دو نقطه را امتحان کنید.

آیا هوا رسانای خوبی برای گرماست ؟

عایقهای گرمایی خوب، نظیر پرها، بلوز های پشمی و پلی استایرن دارای حفره های کوچک هوا هستند. این حفره های کوچک، رسانای بدی برای گرما هستند، و عایقهای بسیار مؤثری به شمار می روند.در دما در صحبتهای روزمره، اغلب می گوییم که « امروز هوا گرم است » یا « این چای سرد است ». اصطلاح علمی برای بیان میزان گرم بودن اجسام را دما می نامند.

اندازه گیری دما

دماسنـجها طوری مدرج می شوند که دمـا را بر حسب درجـة سیلسیوس نـشان بدهند. یخ هـمیشه در دمـای یکسانـی ذوب مـی شـود کـه آن را صفر درجه سیلسیوس می نامند. بخار بالای آب در حال جوش در فشار معمولی نیز همیشه دمای یکسانی دارد که آن را 100 درجة سیلسیوس می نامند. این دو دما را بر روی یک دماسنج مشخص می کند وفاصلة بین آنها را به 100 قسمت تقسیم می کنند و هر قسمت را یک درجة سیلسیوس می گویند.

دماسنجهای پزشکی ــ از دماسنجهای پزشکی برای اندازه گیری دمای بدن انسان استفاده می شود.

دماسنجهای الکترونیکی ــ در دماسنجهای الکترونیکی از یک شاخص میله ای استفاده می شود، این شاخص، دما را به ولتاژ تبدیل می کند ودستگاه اکترونیکی، این ولتاژ را به صورت یک عدد نشان می دهد



دید کلی
برای اینکه یک جسم ، دیگری را گرم کند تماس واقعی بینشان ضروری نیست. مثلا خورشید از فاصله دور همه چیز را گرم می‌کند. گرما به روشهای مختلف ، که هر کدام تحت شرایط مختلفی قابل انجام است، انقال می‌یابد. تنها وجه مشترک این راههای انتقال ، آزمایشهای مربوط به گرما و تعریف بنیادی گرماست. به عبارتی در هر کدام از روشهای انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، انتقال انرژی از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت می‌گیرد.


انتقال رسانشی آزمایشهای مربوط به گرما
اگر یک انتهای سیخی را به مدت زیادی داخل اجاقی گرم نماییم، انتهای دیگر آن نیز گرم می‌شود. آزمایش‌های مربوط به گرما از طریق بدنه سیخ ، از انتهای داغ به انتهای سرد منتقل می‌شود. این روش انتقال آزمایشهای مربوط به گرما ، یا شارش انرژی از طریق ماده را رسانش گرمایی می‌گویند. فلزات ، بویژه نقره ، مس و آلومینیوم رساناهای خوب آزمایشهای مربوط به گرما و بیشتر غیر فلزات رساناهای ضعیف آزمایشهای مربوط به گرما هستند. ته مسی ماهی‌تابه آزمایشهای مربوط به گرما را در تمام جهات و بطور یکنواخت در ته ماهی‌‌تابه پخش می‌کند. دسته ماهی‌تابه از جنس چوب یا پلاستیک است که رساناهای ضعیفی هستند. وقتی از این مواد برای جلوگیری از رسانش آزمایشهای مربوط به گرما استفاده می‌شود، عایق حرارتی نامیده می‌شوند.



انتقال همرفت آزمایشهای مربوط به گرما
آب رسانای بسیار ضعیف گرماست. اگر یک ظرف آب را زیر شعله اجاق گاز قرار دهید، ممکن است سطح آب به جوش آید، در حالی که ته آب هنوز سرد باشد. برای اینکه آب بطور یکنواخت گرم شود باید آنرا روی شعله اجاق گاز گذاشت. در این حالت ، آب در ته ظرف گرم و منبسط می‌شود و چگالی آن کاهش می‌یابد. در نتیجه آب گرم از ته ظرف بالا می‌آید و آب سرد پایین رفته و به شعله نزدیکتر می‌شود. این فرآیند را که انتقال همرفت می‌نامند، آنقدر ادامه می‌یابد تا تمامی حجم آب داخل ظرف به نقطه جوش برسد.

انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق همرفت فقط تحت شرایط معینی اتفاق می‌افتد. اولین شرط این است که ماده شاره باشد (مایع یا گاز) تا بخش گرم کننده آن بتواند از میان بخش سردتر بالا برود. همچنین شاره باید از پایین گرم یا از بالا سرد شود. در خانه بخاری نزدیک کف اتاق قرار دارد در حالیکه قسمت سردکن یخچال در بالای آن واقع است. وسایل زیادی برای جلوگیری از انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق رسانش وجود دارد.

این وسایل با جلوگیری از جریان هوا مانع انتقال آزمایش‌های مربوط به گرما می‌شوند. برای همین ، فضاهای میان دیوارهای خانه را با اسفنج پر می‌کنیم، خودمان را با لایه‌های پشمی می‌پوشانیم و کولمنهای مسافرتی را از اسفنج می‌سازیم. آزمایشها نشان می‌دهد هوا رسانای ضعیفی است و اگر ما بتوانیم آنرا گیر بیاندازیم، می‌توانیم از انتقال همرفتی گرما هم جلوگیری کنیم.


انتقال آزمایشهای مربوط به گرما از طریق تابش
آزمایشهای مربوط به گرما از خورشید از طریق یک فضای وسیع خلا و تهی به زمین می‌رسد و این مسیر را بصورت اشعه ، مانند نور ولی نامرئی طی می‌کند. هر جسم گرم ، حتی انسان از خود اشعه‌هایی گسیل می‌کند. اجسام سرد این آزمایشهای مربوط به گرما را جذب می‌کنند ، بنابراین مثل همیشه انتقال خالص آزمایشهای مربوط به گرما از جسم گرم به جسم سرد صورت می‌گیرد. از اینرو ، آزمایش‌های مربوط به گرما همانند نور از طریق تابش و به خط مستقیم منتقل می‌شود. برای همین ، وقتی در آزمایشهای مربوط به هوا باز مقابل آتش می‌نشینیم، صورت ما از آزمایشهای مربوط به گرما سرخ می‌شود و پشت ما سردتر می‌شود.

کارایی یک جسم در تابش یا جذب آزمایشهای مربوط به گرما به رنگ سطح آن بستگی دارد. جسم سیاه هر تابشی را به سرعت و با کارایی زیاد جذب می‌کند. توانایی تابش انرژی گرمایی از سطح بستگی نزدیکی به توانایی جذب انرژی تابشی توسط آن سطح دارد. جسم سیاه هنگامی که گرم است، یک تابنده عالی است. به همین دلیل پرده‌های خنک کننده موتورها را همواره رنگ سیاه می‌زنند. اما جسم سفید نه جذب کننده خوبی است و نه تابشگر خوب است. به عنوان مثال سطح نقره مانند اغلب فلزات همانند جسم سفید عمل می‌کنند. برای عایق بندی اتاقکهای زیر شیروانی از یک لایه ورق آلومینیوم نیز استفاده می‌شود. ورق آلومینیوم از تابش گرمای داخل به خارج در زمستان و از تابش گرمای خارج به داخل در تابستان جلوگیری می‌کند.


تقدیم به همه ی دوستای گلم با یه دنیا آرزوی خوب برای همتون.:!:



تعادل گرمایی:
دو سییستم Aوb را در نظر بگیرید.این سیستمها از یکدیگر و از محیطشان منزوی شده اند.منظور از منزوی این است که نه انرژی نه ماده نمی تواند به سیستم وارد یا از آن خارج شود. مثلا ممکن است سیستم با دیواره های ضخیمی از عایق استایروفوم که فرض می شود صلب و غیر قابل نفوذ است احاطه شده باشد.در این صورت می توانیم بگوییم که دیواره ها بی دررواند.(برای آنکه خیالتان راحت شود "بی دررو" را می توانید به معنی"غیر قابل عبور" یا "عایق" بگیرید).تغییر در خواص یک سیستم تاثیری در خواص سیستم دیگر ندارد.
می توانیم به جای دیوار بی دررو میان Aوb دیواری بگذاریم که انرژی به صورتی که آنرا گرما خواهیم خواند بتواند از آن عبور کند.یک ورق نازک ولی صلب از جنس مس مثالی از چنین دیواری است.چنین دیواری را گرمابر می گوییم.(واژه گرمابر می توانید به معنی"رسانا" تلقی کنید.)
وقتی دو سیستم از طریق یک دیواره گرمابر در تماس باشند تبادل انرژِی بین این دو سیستم باعث می شودکه خواص ماکروسکوپیک آنها تغییر کند .مثلا اگر سیستمها گازهای محبوس باشند فشار ممکن است یکی از کمیتهای ماکروسکوپیکی باشد که تغییر می کند.تغییرات در ابتدا نسبتا سریع صورت می گیرند ولی با گذشت زمان به تدریج کندتر می شوند تا سر انجام خواص ماکروسکوپیک به مقادیر ثابتی می رسند .وقتی این حالت حاصل شد می گوییم دو سیستم در تعادل گرمایی هستند.
یک راه برای بررسی اینکه سیستمها در تعادل گرمایی با یکدیگر هستند یا خیر این است که آنها را از طریق یک دیواره ی گرمابر در تماس با هم قرار بدهیم و ببینیم که خواص ماکروسکوپیک شان با زمان تغییر می کند یا خیر .اگر با گذشت زمان هیچ تغییری در خواصماکروسکوپیک آنها مشاهده نشد سیستمها در ابتدا در تعادل گرمایی با یکدیگر بوده اند .اما ممکن است جابجا کردن سیستمها برای تماس دادت آنها پردردسر و یا غیر ممکن باشد .(ممکن است که سیستمها خیلی پر حجمتر از آن باشند که بشود به راحتی آنها را جابجا کرد یا ممکن است فاصله ی بین آنها خیلی زیاد باشد.) بنابر این مفهوم تعادل گرمایی را طوری تعمیم می دهیم که دیگر لازم نباشد سیستمها را در تماس با هم قرار دهیم .وقتی دو جسم جدا از هم در حالتهایی با شند که اگر به هم وصلشان کنیم در تعادل باشند می توانیم بگوییم همین الان هم در تعادل اند.راه آزمون اینکه آیا چنین سیستمهای جدا از همی در تعادل گرمایی با یکدیگر قرار دارند استفتده از یک سیستم سوم C است. با در تماس قرار دادن Cباa و بعد باb می می توانیم بی اینکه Aوb را در تماس مستقیم با هم قرار دهیم بفهمیم که آیا A یا B در تعادل گرمایی هستند یا خیر .خلاصه ی این مطلب اصل موضوعی است به نام قانون صفرم ترمودینامیک که معمولا به صورت زیر بیان می شود :" اگر هر یک از سیستمهای Aوb در تعادل گرمایی با سیستم سومی مانند C باشند خود این سیستمها(aوb ) هم با یکدیگر در تعادل گر مایی هستند."
این قانون ممکن است ساده به نظر بیاید ولی اصلا بدیهی نیست .مثلا اگر Aوbو C آدم باشند امکان دارد هر یک از افراد A وc فرد B را بشناسند ولی همدیگر را نشناسند .یا اگر Aوc هر یک قطعه آهن نامغناطیده باشند و B اهنربا باشد هر دو به طرف B جذب می شوند ولی یکدیگر را جذب نمی کنند .
قانون صفرم در واقع "فکر بعدی " منطقی است .این قانون در سالهای 1930 مدتها پس از آنکه قانون اول و دوم ترمودینامیک پیشنهاد و پذیرفته شده بودند به میان آمد . چنان که بعدا خواهیم گفت قانون صفرم در واقع مفهوم دما را تعریف می کند که برای قوانین اول و دوم ترمودینامیک مفهومی مقدماتی است . قانونی که دما را مشخص می کند باید شماره ی کمتری داشته باشد و به همین خاطر است که آن را قانون صفرم نامیده اند



ظریف گرمایی و گرمای ویژه:
می توانیم با دادن انرژی گرمایی به یک جسم یا گرفتن انرژی گرمایی از آن و یا با انجام دادن کار رو ی آن حالت جسم را تغییر دهیم .یکی از خواص جسم که ممکن است در چنین فرایندی تغییر کند دما ی آن T است. تغییر دمای TΔ که متناظر با انتقال مقدار معینی انرژی گرمایی Q است به شرایطی که انتقال گرما در آن صورت می گیرد بستگی دارد .
مثلا در مورد گاز محصور در استوانه ای با پیستون متحرک می توانیم گرما اضافه کنیم و پیستون را ثابت نگه داریم ( و به این ترتیب حجم را ثابت نگه داریم ) یا می توانیم گرما اضافه کنیم و بگذاریم که پیستون حرکت کند ولی نیروی وارد بر پیستون را ثابت نگه داریم ( یعنی در واقع گاز را تحت فشار معین نگه داریم ) . حتی می توانیم با انجام کار روی یک سیستم ،مثلا با مالیدن دو جسمی که بین آنها اصطکاک است به همدیگر ، دما را افزایش بدهیم ، در این مورد اصلا نیازی نیست که انتقال گرمایی صورت بگیرد.

ظرفیت گرمایی C ، برای یک جسم را می توانیم به صورت نسبت مقدار گرمای انتقال یافته به آن در حین یک فرایند ، یعنی Q ، به تغییر دمای متناظر ، یعنیT Δ ، تعریف کنیم : C=Q/ΔT

واژه ی" ظرفیت "ممکن است گمراه کننده باشد ، زیرا این واژه گزاره ی اساسا بی معنی "مقدار گرمایی که یک جسم می تواند در خود نگه دارد" را پیشنهاد می کند ، در حالی که منظور فقط مقدار انرژی است که به ازای هر درجه اختلاف دما ، به صورت گرما به جسم منتقل می شود .
ظرفیت گرمایی بر واحد جرم یک جسم ، که "ظرفیت گرمایی ویژه " یا معمولا فقط "گرمای ویژه " نامیده مخی شود ، مشخصه ی ماده ای است که جسم را تشکیل داده است : c=C/m=Q/mΔT

ظرفیت گرمایی مشخصه ی یک جسم معین است ولی گرمای ویژه مشخص کننده ی ماده است . به این ترتیب می توانیم هم از ظرفیت گرمایی یک سکه و هم از گرمای ویژه ی مس صحبت کنیم.

ظرفیت گرمایی یک جسم و گر مای ویژه ی یک ماده هیچ کدام ثابت نیستند ؛ هر دو این کمیتها به دما ( و احتمالا به سایر متغیر ها ، مثلا فشار) بستگی دارند . معادله های پیشین صرفا مقدار میانگین این کمیتها را در گستره ی دمایی TΔ به دست می دهند .در حد وقتی 0 → TΔ ، می توانیم در مورد گرمای ویژه در یک دمای خاص صحبت کنیم .
می توانیم مقدار گرمایی را که باید به یک جسم به جرم m ، که ظرفیت گرمایی ماده تشکیل دهنده ی آن c است ، بدهیم تا دمای آن را از مقدار اولیه Ti به مقدار نهایی Tf برسانیم ، معین کنیم . برای این منظور اختلاف دمای کلی را به N بازه ی کوچک به عرضT n Δ تقسیم می کنیم و فرض می کنیم cn در هر یک از این با زه های کوچک ثابت باشد و سپس سم هر کدام از این بازه های کوچک n=1,2,3,……..N را در انتقال گرمای کل منظور می کنیم . با انجام این جمع روی بازه های کوچک داریم : Q=∑mcnΔTn
این معادله در حد دیفرانسیلی به صورت زیر در می اید: Q=m∫cdT ( که بازه ی انتگرال از Ti تا Tf است. )
که در آن c ممکن است تابعی از دما باشد . در دماهای عادی و در بازه های دمایی عادی ، گرمای ویژه را می شود ثابت در نظر گرفت. مثلا ف گرمای ویژه ی آب در محدوده ی 0 تا 100 درجه کمتر از 1% تغییر می کند .

بنابر این می توانیم آخرین معادله ی بالا را به صورت کلا مفید تر زیر بنویسیم : ( Q=mc(Tf-Ti

معادله ی c=Q/mΔT تعریف منحصر به فردی برای گرمای ویژه نیست . باید شرایطی را هم که تحت آن گرمای Q به جسم داده شده است مشخص کنیم. یکی از شرایط معمول آن است که وقتی به نمونه ی مورد آزمایش گرما می دهیم ، فشار آن در مقدار عادی (ثابت) جو باقی بماند ، ولی بسیاری شرایط دیگر هم است، که کلا هر یک از آنها به مقدار متفاوتی برای cمی انجامد . برای اینکه مقدار منحصر به فردی برای مقدار c به دست بیاوریم باید شرایط را مشخص کنیم ؛ مانند گرمای ویژه در فشار ثابت cp ، گرمای ویژه در حجم ثابت cv ، و مانند اینها .

گرماهای تبدیل:
وقتی گرما وارد یک جامد یا مایع می شود ، الزاما دمای یک نمونه همیشه افزایش پیدا نمی کند . بلکه امکان دارد نمونه از یک حالت یا فاز ( یعنی ف جامد ، مایع یا گاز ) به حالت دیگری تغییر پیدا کند . بنابر این با جذب گرما و بدون تغییر دما یخ ذوب می شود و آب می جوشد. در فرایندهای مع****************** ( یخ زدن آب و چگالیدن بخار) باز هم در یک دمای ثابت، گرما از سیستم دفع می شود .
مقدار گرمایی را که به ازای هر واحد جرم در حین یک تغییر حالت انتقال پیدا می کند گرمای تبدیل یا گرمای نهان آن فرایند می نامند ( که نماد آن L است). در این صورت کل گرمای انتقال یافته در یک تغییر حالت برابر است با :
Q=Lm
که در آن m جرم نمونه ای است که تغییر حالت می دهد .گرمای انتقال یافته در حین ذوب شدن یا یخ زدن را گر مای ذوب می نامند ( با نماد Lf ) و گر مای انتقال یافته در حین جوشیدن یا چگالیدن را گرمای تبخیر می نامند ( با نماد Lv) .
دانستن ظرفیتهای گرمایی گر ماهای تبدیل از این لحاظ اهمیت دارد که می توانیم با تعیین اختلاف دمای ماده ای که ظرفیت گرمایی اس معلوم باشد یا با تعیین مقدار ماده ای که گرمای تبدیلش معلوم باشد مقدار گرمای انتقال یافته را پیدا کنیم .مثلا در سیستمهای کم دما ، که شامل هلیم مایع درK 4 هم هستند ، آهنگی که با آن هلیم از حالت مایع به جوش می آید معیاری از آهنگ ورود گرما به سیستم است.

/ 1 نظر / 385 بازدید
امین

خیلی ممنون عالی بود