اطلاعات خوب

انتقال گرما

انتقال گرما

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.





دما

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.

+ نوشته شده در  یکشنبه هفتم اسفند 1384ساعت 13:44  توسط یک دوست  |