تبیان، دستیار زندگی

بسم الله الرحمن الرحیم

با سلام و عرض خسته نباشید خدمت دانش آموزان گرامی

امروز میخواهیم در رابطه با یكی از مهم ترین فصل های فیزیك 2اطلاعات مفیدی در اختیار شما قرار دهیم.

این فصل مهم،فصلی نیست جز فصل ششم(گرما و قانون گازها)

دوستان توجه داشته باشید كه در سوالات كنكور فیزیك همیشه چند تا سوال از این فصل داده شده.

پس یادگیری و مرور دوباره آن خالی از لطف نیست و میتواند به شما كمك كند.

در ضمن چند تا سوال تشریحی (مفهومی و مسئله)نیز آماده شده كه در آخر آموزش برایتان در همین بحث قرار میدهیم.

تا آخر بحث همراه ما باشید.

یا حق.

دما

دما معیاری است که میزان سردی و گرمی جسمها را مشخص می کند. یکای دما درجه سیلسیوس است که با  ْ C  نشان داده می شود. دما برحسب درجه سیلسیوس را معمولاً با θ نمایش می دهند. اما یکای دما در SI  درجه کلوین است که با K  نشان داده می شود. دما بر حسب کلوین را معمولاً با T  نشان می دهند. بین K   وْ C  رابطه زیر برقرار است:

T (K) = θ(C ْ) + 273

تعبیر مولکولی دما

انرژی درونی هر جسم، مجموع انرژیهای مولکولهای تشکیل دهنده آن است. افزایش انرژی درونی هر جسم غالباً به صورت افزایش دمای آن جسم ظاهر می شود پس «دمای هر جسم متناسب است با انرژی جنبشی متوسط مولکولهای سازنده آن.»

گرما و تعادل گرمایی

می دانید که گرما مقداری انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین یک جسم و جسم دیگری که با آن در تماس است مبادله می شود. با توجه به قانون پایستگی انرژی، مقداری انرژی که جسم با دمای بالاتر از دست می دهد برابر است با مقدار انرژی که جسم با دمای پایینتر دریافت می کند. این مبادله تا زمانی که دمای دو جسم یکی شود ادامه می یابد: زمانی که دو جسم هم دما شدند دیگر انرژی ای مبادله نمی شود، در این حالت دو جسم با هم در تعادل گرمایی و دمای مشترک را «دمای تعادل» می نامند.

گرمای ویژه

گرمای ویژه هر جسم مقدار گرمایی است که باید یک کیلوگرم از آن جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سیلسیوس (یا یک کلوین) افزایش یابد. گرمای ویژه با c نمایش داده می شود و یکای آن ْ J/gc می باشد.

 به این ترتیب گرمای (Q) لازم برای ایجاد تغییر θ Δ برای جسم  به جرم m و ظرفیت گرمایی ویژه C از رابطه زیر به دست می آید:

Q =mc  Δ θ = mc(θ₂ –θ₁)

اگرθ2 ≥ θ1  Þ  Δθ ≥0 Þ  Q ≥0 Þ  دمای جسم بالا رفته است

اگرθ2 ≤ θ1  Þ  Δθ ≤0 Þ  Q ≤0 Þ  دمای جسم کاهش یافته است

برای محاسبه دمای تعادل دو یا چند جسم با گرمای ویژه C1 C2 C3 و ... و جرمهای m1 m2 m3  و ... با دماهای اولیه 1θ   2θ  3θ و ... که در تماس کامل با هم قرار گرفته اند می توانیم می توانیم حاصل جمع گرماهایی را که با هم مبادله کرده اند مساوی صفر قرار دهیم.

Q1+Q2+Q3 +… = 0

M₁c₁( θ- θ₁)+ m₂c₂ (θ-θ₂) + m₃c₃(θ  - θ₃)+… = 0

گرما سنجی

گرماسنج از یک فلاسک یا ظرفی که به خوبی عایق بندی شده و یک همزن و یک دماسنج تشکیل شده است. درون گرماسنج آب می ریزند و وقتی دمای فلاسک و همزن و آب یکی شد دما را می خوانند آنگاه جسم مورد نظر را درون فلاسک می اندازند تا به تعادل گرمایی برسد و دمای تعادل را می خوانند. گرماسنج، خود دارای ظرفیت گرمایی است که مربوط فلاسک و همزن و دماسنج است MC_F+M’C_M+M’’C_T = A  ظرفیت گرمایی گرماسنج با داشتن ظرفیت گرمایی ویژه گرماسنج، می توان گرمای ویژه یک جسم را به کمک گرما سنج تعیین کرد.

A(θ – θ₁)+ m₁c _آب (θ – θ₁) + m₂ c _جسم (θ - θ₂) = 0

حالتهای ماده

گفتیم که ماده به سه حالت جامد، مایع و گاز یافت می شود. گذار ماده از یک حالت (فاز) به حالت (فاز) دیگر را تغییر حالت (تغییر فاز) گویند تغییر حالتها معمولاً با گرفتن یا از دست دادن گرما همراهند.  

ذوب و تبخیز و تصعید گرماگیر هستند. انجماد و میعان و چالش گرماده هستند.

- گرمای نهان ذوب: اگر به جسم جامدی که به دمای ذوب رسیده گرما بدهیم، شروع به ذوب شدن می کند. این گرما سبب تغییر دمای جسم نمی شود بلکه صدف تغییر حالت جسم می شود. از این رو به این گرما، گرمای نهان ذوب گویند.

- گرمای نهان ویژه ذوب (Lf): مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم جسم جامد در نقطه ذوب داده شود تا به مایع در همان دما تبدیل شود.

گرمای نهان ذوب Q = ml_f

- گرمای نهان ویژه انجماد: فرآیند انجماد عکس فرآیند ذوب است. هر جسم به هنگام انجماد همانقدر گرما از دست می دهد که به هنگام ذوب می گیرد.

گرمای نهان انجماد  Q =-  ml_f

- گرمای نهان ویژه تبخیر(Lv): برابر مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم مایع در دمای نقطه جوش داده شود تا به بخار در همان دما تبدیل شود.

گرمای نهان تبخیر Q = ml_v

- گرمای نهان ویژه میعان: فرآیند میعان عکس فرآیند تبخیر است. گرمای نهان میعان،منفی گرمای نهان تبخیر است.

گرمای نهان میعان Q =  - ml_v

در SI یکای گرمای نهان J/kg  می باشد.

تبخیر سطحی

به گریز مولکولهای مایع از سطح مایع، تبخیر سطحی می گویند. در اثر تبخیر سطحی انرژی درونی مایع کاهش می یابد و در نتیجه دمایش هم کاهش می یابد. آهنگ تبخیر سطحی به عواملی چون دما و مساحت سطح مایع بستگی دارد.

اثر تغییر دما بر طول و حجم جسمها

اکثر اجسام در اثر افزایش دما، منبسط می شوند. این انبساط به صورتهای زیر است:

1 – انبساط جامدها:

الف) طولی

ب) سطحی

ج) حجمی

2 – انبساط مایعها

3 – انبساط گازها (قانون گازها)

 1 – انبساط جامدها

الف) انبساط طولی جامدها: افزایش دما باعث افزایش طول جامدها می شود. انبساط طولی اجسام مختلف با هم متفاوت است و برای نشان دادن این تفاوت از کمیت ضریب انبساط طولی استفاده می شود.

ضریب انبساط طولی (آلفا) عبارتست از افزایش طول واحد طول از یک جسم جامد وقتی که دمای آن یک درجه کلوین (یا سانتی گراد) بالا رود.

الفا α =  ^ΔL/_L1ΔT

یکای ضریب انبساط طولی 1/K  یا 1/C° می باشد.

اگر جسمی به طول L به اندازه TΔ گرم شود، مقدار افزایش طول آن از رابطه زیر به دست می آید:

ΔL = α L₁ Δ T

ب) انبساط سطحی جامدها: افزایش دما باعث افزایش سطح جامدها نیز می شود.

 ضریب انبساط سطحی (2α) عبارت است از افزایش مساحت واحد سطح یک جسم جامد وقتی که دمای آن یک درجه کلوین (یا سانتی گراد) بالا رود و مقدار آن حدود 2 برابر ضریب انبساط طولی می باشد.)

2 آلفا= ΔA/A₁ ΔT 

یکای ضریب انبساط سطحی نیز 1/K  یا  1/C°می باشد.

اگر جسمی به مساحت A₁ به اندازه ΔT گرم شود، مقدار افزایش سطح آن از رابطه زیر به دست می آید:

Δ A = 2 α A1 Δ T

ج) انبساط حجمی جامدها: برای انبساط حجمی هم ضریب انبساط حجمی را تعریف می کنیم.

ضریب انبساط حجمی (3 α آلفا) عبارت است از افزایش حجیم واحد حجیم ماده به ازای افزایش دمای یک کلوین.

ضریب انبساط حجمی را معمولاً با بتا نمایش می دهند و مقدار آن حدوداً سه برابر ضریب انبساط طولی است (β بتا= 3α )

β = ^ΔV/_V1ΔT

ΔV = βV ΔT

2 – انبساط مایعها: مایعها هم با افزایش دما انبساط می یابند. برای مایعها هم ضریب انبساط حجمی تعریف می شود. انبساط مایعها اساس کار دماسنجهای جیوه ای و الکلی را تشکیل می دهد.

تغییرات چگالی با دما

با توجه به اینکه افزایش دما، حجم جسم را افزایش می دهد می توان گفت افزایش دما چگالی را کاهش می دهد. زیرا چگالی با حجم رابطه وارون دارند.

 ℓ = ^m/_v

انبساط غیر عادی آب

حجم بیشتر مایعها با کاهش دما، کاهش می یابد ولی آب رفتاری متفاوت دارد. به این صورت که از ْC4  تا ْC0آب افزایش حجم پیدا می کند.

انتقال گرما

دیدیم که اختلاف دما باعث شارش گرما از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین تر می شود. این شارش گرما به سه صورت انجام می شود:

1 – رسانش

2 – همرفتی

3 – تابش

رسانش

از قبل با مواد رسانا و نارسانای گرما آشنا هستید. رساناهای خوب گرما را بهتر و سریعتر انتقال می دهند. برای محاسبه آهنگ شارش گرما در یک ماده میله ای به طول  Lو سطح مقطع A  انتخاب می کنیم و در دو سر آن اختلاف دما ایجاد می کنیم. دمای یک سر میله را 2θ (دمای بالاتر) و دمای سردیگر 1θ (دمای پایین تر) فرض کنید.

آهنگ شارش گرما به عوامل زیر بستگی دارد:

1 – اختلاف دما: Δθ = θ₁-θ₂ هر چه اختلاف دما بیشتر باشد گرما با آهنگ بیشتری شارش می کند.

2 – طول میله: هر چه طول میله بیشتر باشد، گرما کندتر شارش می شود.

3 – سطح مقطع میله: هر چه سطح مقطع میله بیشتر باشد، آهنگ شارش گرما بیشتر می شود.

 در نتیجه Q  یعنی گرمایی که در t  ثانیه در یک میله شارش می کند برابر است با:

Q = K AtΔθ/L

ثابت تناسب K  رسانندگی گرمایی نام دارد.

یکای رسانندگی گرمایی J/smk یا  w/mk  می باشد.

همرفتی

این شویه انتقال گرما بیشتر مربوط به مایعها و گازها است. اگر به یک نقطه درون مایعی گرما بدهیم، آن نقطه گرم می شود و چگالی در آن نقطه کاهش می یابد. کم شدن چگالی در آن نقطه باعث می شود که مایع گرم شده بالا برود و جای آن را مایع سردتر بگیرد. به این ترتیب اگر گرما دادن ادامه پیدا کند، مایع مرتباً جابه جا می شود و گرما را به قسمتهای دیگر مایع انتقال می دهد. به این شیوه انتقال گرما همرفی می گویند. جریان همرفتی در گازها (مثل هوا) هم وجود دارد.

تابش

همه اجسام در حال تابش از سطح خود هستند. در نتیجه همه اجسام تابش جسمهای دیگر را که در اطراف آنها قرار دارند دریافت می کنند. از این تابش بخشی را جذب می کنند (که باعث بالا رفتن دمای آنها می شود) و بخشی را باز می تابانند، سرعت انتقال گرما از طریق تابش بسیار زیاد است.