در فیزیک، مفهوم "گرما" با انتقال انرژی حرارتی بین اجسام مختلف مرتبط است. در اثر این فرآیندها گرم شدن و سرد شدن اجسام و نیز تغییر در حالت تجمع آنها رخ می دهد. اجازه دهید با جزئیات بیشتری به این سوال که گرما چیست توجه کنیم.
مفهوم مفهومی
گرما چیست؟ هر فرد می تواند از دیدگاه روزمره به این سوال پاسخ دهد، به این معنی که تحت مفهوم مورد بررسی، احساساتی که هنگام افزایش دمای محیط دارد، دارد. در فیزیک، این پدیده به عنوان فرآیند انتقال انرژی مرتبط با تغییر در شدت حرکت آشفته مولکول‌ها و اتم‌های تشکیل‌دهنده بدن شناخته می‌شود.
به طور کلی می توان گفت که هر چه دمای بدن بالاتر باشد انرژی درونی بیشتری در آن ذخیره می شود و گرمای بیشتری می تواند به اجسام دیگر بدهد.
گرما و دما
با دانستن پاسخ این سؤال که گرما چیست، ممکن است بسیاری تصور کنند که این مفهوم مشابه مفهوم «دما» است، اما اینطور نیست. گرما انرژی جنبشی است، دما معیار این استانرژی. بنابراین، فرآیند انتقال حرارت به جرم ماده، تعداد ذرات تشکیل دهنده آن و همچنین به نوع این ذرات و سرعت متوسط حرکت آنها بستگی دارد. به نوبه خود، دما فقط به آخرین پارامتر فهرست شده بستگی دارد.
تفاوت بین گرما و دما به راحتی قابل درک است اگر یک آزمایش ساده انجام دهید: باید آب را در دو ظرف بریزید تا یک ظرف پر و دیگری فقط تا نیمه پر شود. با قرار دادن هر دو ظرف روی آتش، می توان مشاهده کرد که ظرفی که در آن آب کمتری وجود دارد، ابتدا شروع به جوشیدن می کند. برای اینکه ظرف دوم بجوشد به مقداری حرارت بیشتر از روی آتش نیاز دارد. هنگامی که هر دو ظرف در حال جوشیدن هستند، می توانید دمای آنها را اندازه گیری کنید، دمای آن یکسان خواهد بود (100 oC)، اما برای یک ظرف پر برای جوشاندن آب در آن به حرارت بیشتری نیاز بود.
واحد گرما
طبق تعریف گرما در فیزیک، می توان حدس زد که آن را با واحدهای انرژی یا کار، یعنی بر حسب ژول (J) اندازه گیری می کنند. علاوه بر واحد اصلی گرما، در زندگی روزمره اغلب می توانید در مورد کالری (کیلو کالری) بشنوید. این مفهوم به عنوان مقدار گرمایی است که باید به یک گرم آب منتقل شود تا دمای آن 1 کلوین (K) افزایش یابد. یک کالری برابر با 4.184 جی است. شما همچنین می توانید در مورد کالری های بزرگ و کوچک بشنوید که به ترتیب 1 کیلو کالری و 1 کالری هستند.
مفهوم ظرفیت گرمایی
با دانستن اینکه گرما چیست، بیایید کمیت فیزیکی را در نظر بگیریم که مستقیماً آن را مشخص می کند - ظرفیت گرمایی. تحت این مفهوم،فیزیک به معنای مقدار گرمایی است که باید به یک جسم داده شود یا از آن گرفته شود تا دمای آن یک کلوین (K) تغییر کند.
ظرفیت گرمایی یک جسم خاص به ۲ عامل اصلی بستگی دارد:
- در مورد ترکیب شیمیایی و وضعیت تجمعی که بدن در آن ارائه می شود؛
- از توده او.
برای مستقل ساختن این مشخصه از جرم یک جسم، در فیزیک گرما کمیت دیگری معرفی شد - ظرفیت گرمایی ویژه، که مقدار گرمای منتقل شده یا جذب شده توسط یک جسم معین را در هر کیلوگرم از بدن تعیین می کند. جرم آن هنگامی که دما 1 K تغییر می کند.
برای اینکه به وضوح تفاوت ظرفیت گرمایی ویژه مواد مختلف را نشان دهید، مثلاً 1 گرم آب، 1 گرم آهن و 1 گرم روغن آفتابگردان را بردارید و آنها را گرم کنید. دما برای نمونه آهن سریعتر تغییر می کند، سپس برای افت روغن، و برای آب باقی می ماند.
توجه داشته باشید که ظرفیت گرمایی ویژه نه تنها به ترکیب شیمیایی ماده، بلکه به وضعیت تجمع آن و همچنین به شرایط فیزیکی خارجی که تحت آن در نظر گرفته می شود (فشار ثابت یا حجم ثابت) بستگی دارد..
معادله اصلی فرآیند انتقال حرارت
پس از پرداختن به این سوال که گرما چیست، باید بیان ریاضی اصلی را ارائه داد که فرآیند انتقال آن را برای مطلقاً هر جسمی در هر حالت تجمع مشخص می کند. این عبارت دارای شکل است: Q=cmΔT، که در آن Q مقدار گرمای منتقل شده (دریافت شده) است، c گرمای ویژه جسم مورد نظر است، m -جرم آن، ΔT تغییر در دمای مطلق است که به عنوان تفاوت دمای بدن در پایان و در آغاز فرآیند انتقال حرارت تعریف می‌شود.
درک این نکته مهم است که فرمول فوق همیشه زمانی معتبر خواهد بود که در طی فرآیند مورد بررسی، جسم حالت تجمع خود را حفظ کند، یعنی مایع، جامد یا گاز باقی بماند. در غیر این صورت، نمی توان از معادله استفاده کرد.
تغییر در حالت تجمع ماده
همانطور که می دانید، 3 حالت تجمع اصلی وجود دارد که ماده می تواند در آنها باشد:
- گاز;
- مایع;
- جسم جامد.
برای اینکه انتقال از حالتی به حالت دیگر اتفاق بیفتد، لازم است بدن به آن اطلاع دهد یا گرما را از آن بگیرد. برای چنین فرآیندهایی در فیزیک، مفاهیم گرمای ویژه ذوب (بلور شدن) و جوشش (تراکم) معرفی شدند. همه این مقادیر مقدار گرمای مورد نیاز برای تغییر حالت تجمع را تعیین می کند که 1 کیلوگرم وزن بدن را آزاد یا جذب می کند. برای این فرآیندها، معادله معتبر است: Q=Lm، که در آن L گرمای ویژه انتقال متناظر بین حالات ماده است.
در زیر ویژگی های اصلی فرآیندهای تغییر وضعیت تجمع آمده است:
- این فرآیندها در دمای ثابت مانند جوشیدن یا ذوب شدن انجام می‌شوند.
- آنها برگشت پذیر هستند. به عنوان مثال، مقدار گرمایی که جسم معینی برای ذوب شدن جذب می کند دقیقاً برابر با مقدار گرمایی است که در صورت عبور مجدد این جسم در محیط آزاد می شود.به حالت جامد.
تعادل حرارتی
این یکی دیگر از موضوعات مهم مرتبط با مفهوم "گرما" است که باید مورد توجه قرار گیرد. اگر دو جسم با دماهای متفاوت در تماس باشند، پس از مدتی دمای کل سیستم یکسان شده و یکسان می شود. برای رسیدن به تعادل حرارتی، جسمی با دمای بالاتر باید گرما را به سیستم بدهد و جسمی با دمای پایین تر باید این گرما را بپذیرد. قوانین فیزیک گرما که این فرآیند را توصیف می کنند را می توان به صورت ترکیبی از معادله اصلی انتقال حرارت و معادله ای که تغییر حالت کل ماده را تعیین می کند (در صورت وجود) بیان کرد.
یک مثال بارز از فرآیند برقراری خود به خودی تعادل حرارتی، یک میله آهنی داغ است که در آب پرتاب می شود. در این صورت اتو داغ به آب گرما می دهد تا دمای آن برابر با دمای مایع شود.
روشهای اساسی انتقال حرارت
همه فرآیندهای شناخته شده برای انسان که با تبادل انرژی حرارتی همراه است به سه روش مختلف رخ می دهد:
- رسانایی حرارتی. برای اینکه تبادل حرارت به این شکل انجام شود، تماس بین دو جسم با دماهای متفاوت ضروری است. در ناحیه تماس در سطح مولکولی محلی، انرژی جنبشی از یک جسم گرم به یک جسم سرد منتقل می شود. سرعت این انتقال حرارت به توانایی اجسام درگیر برای هدایت گرما بستگی دارد. نمونه بارز هدایت حرارتی استانسان در حال لمس یک میله فلزی.
- همرفت. این فرآیند مستلزم حرکت ماده است، بنابراین فقط در مایعات و گازها مشاهده می شود. ماهیت همرفت به شرح زیر است: هنگامی که لایه های گاز یا مایع گرم می شوند، چگالی آنها کاهش می یابد، بنابراین تمایل به بالا رفتن دارند. در طول افزایش حجم مایع یا گاز، گرما را منتقل می کنند. یک مثال از همرفت، فرآیند جوشاندن آب در کتری است.
- تابش. این فرآیند انتقال حرارت به دلیل انتشار تابش الکترومغناطیسی فرکانس های مختلف توسط یک جسم گرم شده رخ می دهد. نور خورشید نمونه بارز تشعشعات است.
