آموزش فصل دما و گرما فیزیک اول دبیرستان

هدف های یادگیری ( فصل دوم - دما و گرما )

دانش آموز عزیز! پس از مطالعه ی دقیق این مبحث قادر خواهید بود:
1- مفهوم انرژی  را تعریف کرده و ارتباط آن را با زندگی روزمره توصیف کنید و اهمیت آن را شرح دهید.
2- ارتباط مفهوم انرژی جنبشی  با رخدادهای روزانه را شرح داده، مسأله های مربوط به آن را حل کنید.
3- مفهوم انرژی درونی  را شرح داده و تأثیر آن را در تغییر حالت و وضعیت اجسام توصیف کنید.
4- پایستگی انرژی  را بیان کنید و از آن در حل مسأله ها استفاده کنید.
5- مفهوم انرژی پتانسیل گرانشی  را تعریف کنید و مسأله های مربوط به آن را حل کنید. 

راهنمای یادگیری

دانش آموز عزیز؛ قبل از مطالعه ی فصل توصیه می شود نقشه ی محتوایی فصل را به دقت مشاهده فرمایید .

 

یادآوری
در دوره ی راهنمایی با اثر گرما بر حجم مواد، دماسنج های معمولی، انبساط غیرعادی آب، اثر گرما بر حالت های ماده، گرماگیر یا گرماده بودن، تغییر حالت ها، انرژی درونی، راه های اندازه گیری گرما، گرمای نهان، راه های انتقال گرما، گرم سازی و جلوگیری از اتلاف گرما، سردسازی و کار و گرما آشنا شده اید. برای درک بهتر و کسب آمادگی بالاتر در فراگیری مطلب های این فصل، توصیه می شود مبحث های فوق را بار دیگر مرور کنید.
چشم انداز
گرما و دما و اثرهای آن بر جسم هایی که روزانه با آن ها سر و کار داریم، موضوعی حائز اهمیت است. محیطی که در آن زندگی می کنیم، متأثر از تغییر دماست. به یاد داشته باشید که گرما و دما تأثیر بسیاری روی شیوه ی زندگی، کار روزانه ی ما و وضع جسمانی و سلامت ما دارد. ایجاد دمای معین در صنعت و فناوری و پژوهش های علمی اهمیت فراوان دارد. بهره گیری از شیوه های عایق بندی مناسب برای صرفه جویی در انرژی و نیز وسایل سرمازا بسیار کارآیی دارد.
تعریف دما
سردی و گرمی یک جسم با معیاری (کمیتی) به نام دما مشخص می شود.
به وسیله ی تغییر بعضی کمیت ها، می توان تغییر دما را اندازه گیری کرد. کمیت هایی چون رنگ، طول، حجم، مقاومت الکتریکی و... که با سرد و گرم شدن جسم ها تغییر می کنند، این گونه اند. به کمیتی که اندازه گیری تغییرات آن به علّت تغییر دما، اساس اندازه گیری دما قرار می گیرد، کمیت دماسنجی می گویند. مثلاً در دماسنج جیوه ای، حجم مقداری جیوه، کمیت دماسنجی است. افزایش دمای جیوه باعث افزایش حجم آن می شود. به کمک اندازه گیری تغییر حجم جیوه، می توان تغییر دمای آن را مشخص کرد. زیرا حجم جیوه، متناسب با دمای آن است.
هر جسم همان طور که دارای جرم و حجم است، یک دمای خاص نیز دارد. مثلاً یک لیوان آب سرد و یک استکان چای داغ هر کدام دارای دمای خاصی هستند. به کمک حس لامسه تا حدودی (به طور کیفی و تقریبی) می توان به میزان سردی و گرمی جسم پی برد. 
دماسنجی
روش اندازه گیری دما را دماسنجی گویند.
برای اندازه گیری دما از ابزاری به نام دماسنج استفاده می کنند.
یکی از رایج ترین و ساده ترین دماسنج ها، دماسنج های مایعی است. اساس کار این نوع دماسنج ها بر انبساط یا انقباض مایع به علت افزایش یا کاهش دما است. وقتی دمای مایع افزایش می یابد، مایع درون دماسنج، منبسط می شود و وقتی دمای مایع کاهش می یابد، مایع درون دماسنج منقبض می شود. 
مدرج کردن دماسنج
برای مدرج کردن دماسنج، روی ساقه ی آن و در مقابل ارتفاع مایع در لوله ی دماسنج، دمای مایع را می نویسیم. برای انجام این کار به دو دمای ثابت، دو عدد دلخواه نسبت می دهیم که به آن ها نقطه های ثابت دماسنجی گفته می شود.
سلسیوس، دمای یخ خالص در حال ذوب (در فشار یک اتمسفر) را برابر صفر و دمای بخار آب جوش را برابر صد(100) انتخاب و فاصله ی بین آن ها را به صد قسمت مساوی تقسیم کرد. به هر یک از این قسمت ها «یک درجه ی سلسیوس» گفته می شود. درجه ی سلسیوس که یکای دما است را با نماد (c) نشان می دهیم. 
برای استفاده از دماسنج در تعیین دمای یک جسم، مخزن دماسنج را در تماس کامل با جسم قرار می دهیم و آن قدر صبر می کنیم تا سطح مایع درون دماسنج، در مکان ثابتی قرار گیرد. عددی که در مقابل سطح مایع دماسنج است، دمای آن را نشان می دهد.

گستره ی قابل اندازه گیری با دماسنج های جیوه ای و الکلی
هر دماسنجِ مایعی، بین دمای نقطه ی انجماد (کمی بالاتر از آن) و دمای نقطه ی جوش مایع (کمی پایین تر از آن) که بین این دو دما، حالت یا فاز مایع عوض نشده است، می تواند کار کند. بر این اساس، دماسنج جیوه ای در گستره ی دماهایی که جیوه مایع است(یعنی از حدود منفی 35 درجه سانتی گراد تا حدود  ، 350 درجه سانتی گراد می تواند کار کند. دماسنج الکلی نیز در گستره ی دماهایی حدوداً بین نقطه ی انجماد الکل منفی 115 درجه سانتی گراد  و نقطه ‏ی جوش آن  79 درجه سانتی گراد قابل استفاده است. 

یک پله بالاتر ( یک آزمایش )

دو انتهای دو سیم غیرهم جنس A و B را به یک دیگر جوش می دهیم. یک نقطه ی اتصال را در مخلوط آب و یخ و نقطه ی دیگر را در آب جوش قرار می دهیم. آمپرسنج جریانی را نشان می دهد. هرقدر اختلاف دما بیش ‏تر باشد، آمپرسنج جریان بیش ‏تری را نشان می دهد. از روی شدت جریانی که آمپرسنج نشان می دهد، می توان دمای آب گرم درون ظرف را اندازه گرفت.

دماسنج پزشکی

دماسنجِ مایعیِ به خصوصی است که برای اندازه گیری دمای بدن انسان به کار برده می شود و گستره ی دمایی ثبت شده روی آن بین 35 درجه سانتی گراد و 42 درجه سانتی گراد  است. برای این که در فاصله ی خارج شدن دماسنج از دهان مریض و خواندن دمای آن توسط پزشک، جیوه به علت کاهش دما به مخزن برنگردد، در لوله ی دماسنج و در نزدیکی مخزن آن خمیدگی کوچک و باریکی ایجاد کرده اند تا جیوه به خودی خود نتواند به مخزن برگردد.

گرما چیست؟
انرژی ای که در اثر اختلاف دما بین دو جسم مبادله می شود (شارش می یابد)گرما نام دارد و با نماد Q نشان داده می شود. یکای گرما، ژول (J) است.

اگر به جسم گرما بدهیم، انرژی درونی آن افزایش و اگر از جسم گرما بگیریم ، انرژی درونی آن کاهش می یابد.

تعادل گرمایی
اگر مقداری گرما به جسمی بدهیم یا از آن بگیریم ولی دمای آن تغییری نکند، به آن منبع گرما گفته می شود. برای مثال، هوای اطراف کره ی زمین و یا آب یک دریاچه ، منبع گرما محسوب می شود.
وقتی دو یا چند جسم که هیچ یک منبع گرمایی نیستند، در تماس با یک دیگر قرار بگیرند، دمای جسم گرم، کاهش و دمای جسم سرد، افزایش می یابد. تغییر دما در اثر تماس دو جسم، آن قدر ادامه می یابد تا دمای هر دو یکسان شود و از آن به بعد، دمای آن ها ثابت می ماند. این دما را دمای تعادل دو جسم می گوییم.

بنابراین شرط تعادل گرمایی بین دو یا چند جسم، آن است که دمای آن ها یکسان باشد.

رسانش گرمایی
رسانش گرمایی، باعث شارش گرما از یک بخش جسم به بخش دیگر آن می شود. رسانش جسم های مختلف، متفاوت است.
فلزها، رسانای خوبی برای گرما هستند و چوب، پارچه و... نارسانا (عایق) می باشند. آب، رسانای خوبی برای گرما نیست.

 عایق بندی گرمایی(صرفه جویی در مصرف انرژی)
آهنگ عبور گرما، به انرژی گرمایی ای گفته می شود که در یکای زمان از یکای سطح جسم عبور می کند، در صورتی که تفاوت دما در دو طرف آن برابر با یک درجه ی سلسیوس باشد.
مقدار گرمایی که از یک طرف جسمی به طرف دیگر آن منتقل می شود، به عامل های زیر بستگی دارد:
1- اختلاف دمای محیط دو طرف جسم
2- مساحت جسم
3- مدت زمان شارش
4- جنس جسم
مساحت را با A، زمان عبور گرما را با t ، انرژی تلف شده را با E، اختلاف دمای دو طرف جسم را با نماد ∆ و آهنگ عبور گرما (یعنی مقدار انرژی ای که در واحد زمان از واحد سطح می گذرد وقتی که تفاوت دمای دو طرف آن 1 درجه ی سانتی گراد باشد) را با  Q₁ نشان می دهیم.
بنابراین می توان انرژی عبوری از یک طرف جسم، به طرف دیگر را از رابطه ی زیر به دست آورد: 

در رابطه ی بالا داریم :

E = انرژی شارش شده ( ژول )

Q = آهنگ عبور انرژی ( ژول بر مترمربع ثانیه درجه ی سانتی گراد )

A = مساحت سطح ( متر مربع )

t = زمان ( ثانیه )

( دلتا تتا ) = اختلاف دما ( درجه سانتی گراد )

یکای آهنگ عبور گرما، ژول بر متر مربع بر ثانیه بر درجه ی سلسیوس است که با نماد نشان داده می شود. 

تغییر دمای یک جسم
آزمایش های مختلف نشان می دهد که اگر حالت (فاز) جسم تغییر نکند، یعنی جامد به مایع، مایع به بخار یا... تبدیل نشود، تغییر دمای یک جسم  () با مقدار گرمایی که به جسم داده می شود (Q) متناسب است؛ یعنی:

(علامت   را بخوانید متناسب است با ...)
تغییر دمای یک جسم، به ازای مقدار معینی گرما، با جرم جسم نسبت وارون دارد؛ یعنی:

گرمای ویژه
بنا به تعریف، مقدار گرمایی که دمای یک کیلوگرم از هر جسم را بدون تغییر حالت 1 درجه ی سانتی گراد افزایش دهد، گرمای ویژه ی جسم نامیده می شود.
یکای گرمای ویژه، ژول بر کیلوگرم بر درجه ی سلسیوس   است.
گرمای ویژه ی جسم به جنس آن بستگی دارد. برای مثال گرمای ویژه ی آب بسیار زیاد و گرمای ویژه ی سرب بسیار کم است. از این رو برای خنک کردن جسم های داغ و جلوگیری از بالا رفتن دما از آب استفاده می کنند.
از تعریف گرمای ویژه نتیجه می شود که اگر به جسمی به جرم m گرمای Q داده شود و تغییر دمای آن باشد، گرمای ویژه که با نماد c نشان داده می شود، از رابطه ی زیر به دست می آید:

از رابطه ی بالا، می توان گرمایی را که یک جسم به جرم  m و گرمای ویژه ی c می گیرد یا از دست می دهد، تا دمای آن به اندازه ی   تغییر کند، محاسبه کرد:

در این رابطه، m بر حسب کیلوگرم ، بر حسب درجه ی سلسیوس ، c بر حسب و Q بر حسب ژول  می باشد. 

خلاصه

دما معیاری است که میزان سردی و گرمی جسم ها را مشخص می کند.
دمای هر جسم را معمولاً می توان به طور تقریبی به کمک حس لامسه تعیین کرد.
با حس لامسه، به هیچ وجه نمی توان عددی دقیق برای دما تعیین کرد.
دماسنج های الکلی و جیوه ای بر اساس تغییر حجم مایع در اثر تغییر دما کار می کنند.
نقطه ی ذوب یخ را در کنار دریا صفر و نقطه ی جوش را 100 می نامیم. این نوع درجه بندی را درجه بندی سلسیوس می گوییم.
اندازه گیری دما توسط دماسنج های جیوه ای و الکلی برای دماهایی امکان پذیر است که بالاتر از نقطه ی انجماد و پایین تر از نقطه ی جوش مایع باشند.
دماهایی را که یک دماسنجِ مایعی می تواند اندازه گیری کند، یعنی دماهایی بین دمای نقطه ی انجماد و دمای نقطه ی جوش مایع، گستره ی دماییِ قابل اندازه گیریِ دماسنج می نامند.
دو جسم را هنگامی در تعادل گرمایی گوییم که اگر در تماس کامل با یک دیگر قرار گیرند، دمای آن ها تغییر نکند.
انرژی ای که در اثر اختلاف دما بین دو جسم مبادله می شود گرما نام دارد.
در تماس دو جسم با هم، آن قدر انرژی گرمایی بین دو جسم مبادله می شود تا به حال تعادل گرمایی برسد.
وقتی دو جسم به حال تعادل گرمایی اند، جمع جبری انرژی مبادله شده بین دو جسم برابر صفر می شود.
شرط تعادل گرمایی، برابری دمای دو جسم است.
اگر بین دو نقطه از جسم اختلاف دما به وجود آید، گرما از یک قسمت با دمای بالاتر به قسمت با دمای پایین تر شارش می کند (جاری می شود). این نوع شارش را «رسانش گرمایی» می گوییم.
فلزات رسانای خوب گرما هستند. آب رسانای خوب گرما نیست. هوا، چوب و شیشه نارسانا هستند.
آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما بر حسب است و در اجسام مختلف یک اندازه نیست.
رسانش گرما از یک طرف جسم به طرف دیگر آن، به آهنگ شارش گرما، مساحت، زمان و اختلاف دمای دو طرف، بستگی دارد.

نظر شما در مورد نحوه ی آموزش این مطلب چیست ؟ در بخش نظرات منتظریم !

با فیزیک برای زندگی همراه باشید ...