درسنامه کامل علوم تجربی هفتم فصل 10 گرما و بهینه سازی مصرف انرژِی

محیط مناسب و متناسب زندگی:

جست و جوی حیات روی سیارات دیگر بر اساس وجود آب در حالت مایع انجام می شود و در صورتی آب به صورت مایع وجود خواهد داشت که دمای محیط مناسب باشد.

گیاهان و جانوران نیز متاثر از محیطی هستند که در آن زندگی می کنند. به همین دلیل است که شکل گیاهان و جانوران مشابه در مناطق گرمسیری با جانوران و گیاهان مناطق سردسیری متفاوت است. به طور مثال خرس های قطبی که در مناطق سرد و برفی زندگی می کنند بر خلاف سایر خرس ها رنگشان سفید است، موهای بدنشان نیز بلندتر است.

هر مکانی احتیاج به یک دمای مناسب دارد. به طور مثال دمای مناسب برای اتاق ۲۲ درجه سانتیگراد است. برای رسیدن به دمای مناسب گاهی نیاز به وسایل گرم سازی مانند بخاری و شوفاژ هستیم و گاهی نیز باید با وسایل سردسازی همچون کولر آبی و گازی محیط را سردتر کنیم.

تفاوت دما و گرما:

گرما انرژی منتقل شده از جسم گرم به جسم سرد است، ولی دمای یک جسم در واقع میزان سرعت حرکت ذرات تشکیل دهنده آن جسم و در واقع معیاری است که میزان گرمی و سردی مواد را نشان می دهد. برای درک این تفاوت به مثال زیر توجه کنید:

یک لیوان آب جوش و یک کتری آب جوش دارای دمای یکسان و ۱۰۰ درجه سانتیگراد هستند اما گرمای یک کتری آب جوش بیشتر از یک فنجان آب جوش است، چون مقدارش بیشتر است.

رابطه ی بین گرما و دما:

هر چه جسمی گرمتر باشد دمای آن بیشتر است؛ مثلاً دمای یک فنجان چای داغ بیشتر از دمای یک فنجان آب خنک است، به عبارت دیگر به جسم های گرم تر دمای بیشتر و به جسم های سردتر دمای کمتر نسبت می دهیم.

ساده ترین روش برای تشخیص گرمای برخی اجسام:

با استفاده از حس لامسه خود می توانیم تشخیص دهیم چه جسمی داغ و چه جسمی سرد است، اما نمی توانیم به طور دقیق مقدار گرمی و سردی آن را مشخص کنیم؛ به عنوان مثال وقتی می خواهیم ببینیم فردی تب دارد یا نه، معمولا دست خود را روی پیشانی او قرار می دهیم و با مقایسه دمای بدن او با دمای بدنمان تشخیص می دهیم که شخص تب دارد یا نه ولی نمی توانیم تشخیص دهیم او چند درجه تب دارد.

استفاده از حس لامسه برای تشخیص دما دقیق نیست و گاهی همراه با خطا نیز می باشد؛ به عنوان مثال اگر ما یک دستمان را در آب سرد و دست دیگرمان را در آب گرم قرار دهیم و پس از حدود ۳۰ ثانیه دو دستمان را وارد ظرف آب ولرم کنیم ، دستی که در آب سرد بود، آب ولرم را گرم احساس می کند و دستی که در آب گرم بود، آب ولرم را سرد احساس می کند.

دماسنج:

 دماسنج وسیله ای است که با استفاده از آن دما را اندازه می گیریم. رایج ترین دماسنج ها، دماسنج های جیوه ای و الکلی هستند. اگر این دماسنج ها را در محیط گرم قرار دهیم ، جیوه یا الكل درون مخزن آن ها منبسط می شود و از لوله نازک بالا می رود. در این حالت ارتفاع الكل رنگی یا جیوه درون لوله، دمای محیط را نشان می دهد.

اساس کار دماسنج ها تفاوت انبساط و انقباض جیوه و الكل با شیشه است. چون انبساط و انقباض جیوه یا الكل که حالت مایع دارند از شیشه جامد بیشتر است. الكل و جیوه در هوای گرم بیشتر از شیشه منبسط می شوند و بالا می روند و در هوای سرد منقبض شده و پایین می روند و دمای کمتری را نشان می دهند.

رایج ترین دماسنج ها، دماسنج های جیوه ای و الکلی هستند. اگر این دماسنج ها را در محیط گرم قرار دهیم ، جیوه یا الكل درون مخزن آن ها منبسط می شود و از لوله نازک بالا می رود. در این حالت ارتفاع الكل رنگی یا جیوه درون لوله، دمای محیط را نشان می دهد.

اساس کار دماسنج ها تفاوت انبساط و انقباض جیوه و الكل با شیشه است. چون انبساط و انقباض جیوه یا الكل که حالت مایع دارند از شیشه جامد بیشتر است. الكل و جیوه در هوای گرم بیشتر از شیشه منبسط می شوند و بالا می روند و در هوای سرد منقبض شده و پایین می روند و دمای کمتری را نشان می دهند.

درجه بندی (مدرج کردن) دماسنج های جیوه ای و الکلی:

برای درجه بندی دماسنج های جیوه ای و الکلی، ابتدا مخزن آن ها را در مخلوط آب و یخ قرار می دهند و سطح جیوه یا الكل را با صفر نشانه گذاری می کنند. سپس دماسنج را در مجاورت بخار آب در حال جوش قرار داده و سطح مایع درون دماسنج را با عدد ۱۰۰ علامت گذاری می کنند. بین این دو عدد (صفر تا صد) را به صد قسمت مساوی تقسیم می کنند و هر قسمت را یک درجه سلسیوس یا سانتی گراد (C°۱) می نامند.

در ساحل دریا ، آب در دمای صفر درجه یخ می زند و در ۱۰۰ درجه می جوشد. در واقع تمام نقاط ذوب و انجماد و جوش را در فشار یک اتمسفری سطح دریا اندازه می گیرند. در مناطق با فشار کمتر مثل ارتفاعات این دما ها اندکی کمتر و در مناطق پرفشارتر مثل دشت ها این دماها اندکی بیشتر هستند.

روش اندازه گیری دمای یک جسم را با دماسنج جیوه ای و الکلی:

 به این منظور، مخزن دماسنج را در تماس با جسم مورد نظر قرار می دهیم و مدتی صبر می کنیم تا ارتفاع مایع در لوله باریک دیگر تغییر نکند. آن گاه عددی را که مایع در آن ارتفاع قرار دارد، می خوانیم این عدد همان دمای جسم است.

برای دقت بیشتر باید لوله باریک دماسنج و خط نشان مایع دماسنجی را در خط افق درمقابل دیدگانمان قرار دهیم.

علت باریک و بلند بودن لوله های درون دماسنج معمولا باریک و بلنداین است که کوچکترین تغییر در حجم جیوه یا الكل بتواند به تغییر ارتفاع قابل ملاحظه ای در لوله بیانجامد.

بعضی از انواع دماسنج ها که در پزشکی و طرز کار آن ها:

1- دماسنج پزشکی - جیوه ای:

در این نوع دماسنج نیز از جیوه استفاده شده است. در این دماسنج یک خمیدگی وجود دارد که باعث می شود پس از بیرون آوردن دماسنج از دهان و تا زمانی که می خواهیم دما را بخوانیم، مایع درون دماسنج بالا و پایین نرود.

2- دماسنج دیجیتالی:

با قرار دادن این دماسنج در دهان، نمایشگر آنها عددی را نشان می دهد که همان دمای بدن است.

3- دماسنج نواری:

با قرار دادن این نوع دماسنج روی بدن و تغییر رنگ کریستال های مایع آن و با توجه به این که هر رنگ بیان کننده یک دما است می توانیم دمای بدن را اندازه بگیریم.

گرما:

به مقدار انرژیی که بر اثر اختلاف دما از جسمی به جسم دیگر منتقل می شود، گرما می گویند.

انتقال گرما بین دو جسم:

هنگامی که دو جسم با دماهای متفاوت در تماس با یکدیگر قرار بگیرند گرما از جسم گرم تر به جسم سردتر منتقل می شود؛ بنابراین دمای جسم گرم پایین می آید و دمای جسم سرد بالا می رود و این فرایند آن قدر ادامه پیدا می کند تا دمای دو جسم یکسان شود. به طور مثال وقتی ظرف غذا را روی اجاق گاز قرار می دهیم، چون اجاق گرم تر از ظرف غذا است، گرما می دهد و انرژی را به طرف منتقل می کند.

تعادل گرمایی دو جسم:

زمانی که دو جسم با دماهای متفاوت با هم در تماس باشند فرایند انتقال گرما از جسم گرم تر به جسم سرد تا زمانی که دو جسم هم دما شوند ادامه می یابد. این دما را دمای تعادل دو جسم می نامیم.

گرم ترین و سردترین نقاط روی زمین:

گرم ترین نقطه روی زمین، ناحیه ای در کویر لوت است که دمای آن تا ۷۰ درجه سانتیگراد نیز اعلام شده است و سردترین نقطه در قطب جنوب است که دمای آن تا ۸۹ - گزارش شده است.

یکای اندازه گیری گرما:

گرما نوعی انرژی است بنابراین یکا آن J( ژول ) است. از یکای ژول برای اندازه گیری تمام شکل های انرژی استفاده می شود .

نظریه مولکولی در مورد افزایش دما:

جسمی که گرم تر است دمای آن بالاتر است و مولکول هایش جنب و جوش بیشتری دارند، یعنی انرژی مولکول ها به طور متوسط بیشتر از جسمی است که سردتر است. در جسم سردتر، جنب و جوش مولکول ها کم تر است، یعنی به طور متوسط مولکول ها انرژی کمتری دارند. ۱۵. جنب و جوش مولکول هایی آب در ظرفی که بر روی شعله است را با توجه به نظریه مولکولی توجیه کنید. وقتی ظرف آبی را روی شعله قرار می دهیم، انرژی داده شده به آب، سبب افزایش انرژی مولکول های آب می شود و جنبش مولکول ها افزایش می یابد و در نتیجه دمای آب هم بالا می رود.

انواع روش های انتقال گرما:

1) رسانش.

2) همرفت.

3) تابش.

نکته ای که لازم است بدانیم این است که در انتقال گرما مانند هر انرژی دیگری قانون پایستگی انرژی برقرار است.

رسانش:

در انتقال گرما به روش رسانش ، انرژی گرمایی از طریق جنبش مولکول های ماده و ضربه زدن هر مولکول به مولکول های مجاور خود ، به تدریج به تمام ماده منتقل می شود. برای مثال، یک سر میله فلزی را روی شعله قرار می دهیم . طولی نمی کشد که سر دیگر که در دست ماست، آن قدر داغ می شود که دیگر نمی توانیم آن را نگه داریم. در واقع گرما از سری که روی شعله قرار دارد، وارد می شود و آن را داغ می کند. با توجه به اختلاف دمای دو سر میله، گرما از سر داغ به سمت دیگر میله منتقل می شود.

اجسام رسانا و نارسانا:

به اجسامی مانند شیشه ، چوب ، لاستیک ، هوا ، پشم و چوب پنبه که گرما را بسیار آهسته منتقل می کنند ، نارسانا یا عایق گرما می گویند و به اجسامی که مانند انواع فلزات گرما را بسیار سریع منتقل می کنند، رسانای گرمایی می گویند.

رسانایی در حالت جامد ماده ، بهتر منتقل می شود؛ زیرا هر چه فاصله های مولکول ها از هم کمتر باشد، یعنی مولکول ها به هم نزدیکتر باشند گرما با سرعت بیشتری در ماده منتقل می شود. به همین دلیل است که رسانایی گرمایی جامدات بیش از مایعات و مایعات بیش از گازها است.

در جامدات نیز رسانایی فلزات بیشتر بوده و در بین فلزات نیز رسانایی به یک اندازه نیست؛ مثلا رسانایی مس بیشتر از آلومینیوم و آلومینیوم نیز بیشتر از آهن است.

موادی مثل پشم شیشه، فایبرگلاس و همچنین پنجره دو جداره به علت داشتن هوای محبوس نارسانای خوب محسوب می شوند.

همرفت:

در انتقال گرما به روش همرفت قسمتی از ماده که گرم شده است به طرف بالا حرکت می کند و قسمت های اطراف آن که هنوز گرم نشده اند جای آن را می گیرند. به این ترتیب انرژی گرمایی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شده و به تدریج تمام ماده گرم می شود.

شرایط لازم برای ایجاد جریان همرفتی:

1) ماده، مایع یا گاز باشد.

2) در محیط اختلاف دما وجود داشته باشد. (یعنی قسمتی از آن گرم تر و قسمتی سردتر باشد)

3) قسمت گرم پایین تر از قسمت سرد باشد.

در جامدات گرما به روش همرفت منتقل نمی شود؛ زیرا در جامدات فاصله ی بین ذرات بسیار کم است و ذرات نمی توانند جابجا شوند.

علت به وجود آمدن جریان های همرفتی:

وقتی ماده ای گرم می شود منبسط می شود یعنی فاصله ی مولکول های آن از هم بیشتر می گردد. در نتیجه چگالی آن کاهش می یابد و در واقع سبکتر می گردد. به همین دلیل آن قسمت به طرف بالا حرکت می کند. در این هنگام مایعات اطراف که چگالی بیشتری دارند و سنگین تر هستند، جای آن را پر می کند. این روال ادامه می یابد و به تدریج تمام مایع گرم می شود.

جریان های همرفتی باعث ایجاد نسیم در مناطق ساحلی می شوند؛ در روز ساحل گرم تر از دریاست و هوای گرم از سطح ساحل بالا رفته و از طرف دریا هوای سرد به سمت ساحل حرکت می کند. به همین دلیل نسیم به سمت ساحل یا خلاف جهت دریا می وزد. در شب چون دریا گرم تر از ساحل است، هوای گرم از دریا بالا می رود و هوای سردتر از سمت ساحل به سوی دریا می وزد، به همین دلیل نسیم به طرف دریاست.
                                                     

بخاری نفتی و گازی نیز به روش همرفتی باعث گرم شدن اتاق می شود؛ زیرا بخاری نفتی و گازی معمولا یک جریان همرفتی در اتاق ایجاد می کند که سبب می شود اتاق گرم شود؛ بدین ترتیب که هوای سرد اطراف بدنه ی بخاری گرم شده و به روش همرفت به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد اطراف جای آن را می گیرد و گرم می شود و بالا می رود. این عمل ادامه پیدا می کند تا همه ی هوای اتاق گرم شود.

تابش:

در این روش انتقال گرما به صورت امواج الکترومغناطیس و بدون نیاز ماده و در خلأ منتقل می شود. گرمای خورشید به همین شیوه در فضای خالی از ماده (خلاء) منتقل می شود و به زمین می رسد. اگر تا به حال در مقابل یک بخاری برقی یا هیزمی قرار گرفته باشید، انتقال گرما به این روش را به خوبی حس کرده اید. در تابش خورشید، پرتوهایی نامرئی وجود دارد که یک دسته از آنها پرتوهای فروسرخ (مادون قرمز) است. این پرتوها وقتی به جسمی بتابد، گرمای بیشتر تولید می کنند.

تأثیر دمای جسم بر تابش انرژی گرمایی:

همه اجسام می توانند انرژی خود را به صورت تابش منتشر کنند؛ اما اجسام گرم تر، مقدار بیشتری انرژی تابشی منتشر می کنند؛ مثلا سطح خورشید که دمای بالایی دارد، انرژی تابشی زیادی گسیل می کند.

وقتی در یک روز آفتابی در حال پیاده روی هستید، پرتوهای خورشید به شما برخورد می کنند. قسمتی از این پرتوها جذب بدن شما می شوند و شما را گرم تر می کنند و قسمتی از پرتوها، باز تابش می کنند.

تأثیر رنگ اجسام و سطح آن ها بر میزان تابش گرما:

هر چه رنگ جسم تیره تر باشد و سطح آن ناهموار تر باشد تابش بیشتری را جذب می کند و همینطور انرژی تابشی بیشتری را نیز گسیل یا منتشر می کند ولی اجسام سفید و براق و دارای سطح هموار مقداری کمتری گرما را به صورت تابش دریافت می کنند و بیشتر آن را بازتابش می کنند.

نکته خیلی مهمی که باید به یاد داشته باشیم این است که برای انتقال گرما به روش رسانش و همرفت نیاز به محیط مادی (وجود مولکول ها) است. این روش ها در شرایط نبود هوا (خلأ) انجام نمی شوند. اما در روش تابش، انتقال گرما نیازی به محیط مادی ندارد.

اجسام تیره هنگامی که در معرض محیط یا جسمی با دمای کمتر از خود باشند انرژی تابشی بیشتری نسبت به اجسام روشن تابش می کنند و هنگامی که در معرض محیط یا جسمی با دمای بیشتر از خود باشند انرژی تابشی بیشتری نسبت به اجسام روشن جذب می کنند.

اجسام روشن و براق هنگامی که در معرض محیط یا جسمی با دمای کمتر از خود باشند انرژی تابشی کمتری نسبت به اجسام تیره تابش می کنند و هنگامی که در معرض محیط یا جسمی با دمای بیشتر از خود باشند انرژی تابشی کمتری نسبت به اجسام تیره جذب می کنند و بیشتر آن را بازتاب می کنند.

تابش گرمایی می تواند:

1) تابیده شود. (در اجسام گرمتر و تیره تر انرژی تابشی بیشتری گسیل می شود)

2) جذب شود. (در اجسام تیره تابش گرمایی بیشتری جذب می شود)

3) بازتابیده شود. (در اجسام روشن و هموار تابشی گرمایی بیشتری بازتابیده می شود)

نکته:

1- می خواهیم با طراحی آزمایشی مشخص کنیم که میزان انرژی تابشی جذب شده در اجسام تیره بیشتر است یا اجسام براق! برای این کار در یک آزمایش ، بخاری برقی استوانه ای، بین دو ورقه ی فلزی قرار داده شده است . سطح هایی از ورقه ها که مقابل بخاری قرار دارند، یکی صیقلی و براق و دیگری سیاه و مات است. در طرف دیگر ورقه های چوب پنبه ای توسط موم یا پارافین به ورق ها چسبانده شده اند. وقتی بخاری را روشن می کنیم خواهیم دید که چوب پنبه پشت سطح سیاه زودتر می افتد که این نتیجه حاکی از آن است که اجسام تیره مقدار بیشتری انرژی تابشی را جذب می کنند.

2- در یک روز تابستانی آینه ای را روی آسفالت قرار می دهیم. روکش آسفالت بسیار داغ می شود، زیرا آسفالت به علت تیره و ناهموار بودن بیشتر تابش گرمایی خورشید را جذب می کند، اما آینه خیلی گرم نمی شود چرا که مقدار کمی از گرمای تابیده شده را جذب می کند و بیشتر آن را باز می تاباند.

رنگ مناسب لباس در روزهای مختلف:

1- یک روز گرم در زیر آفتاب:

لباس روشن؛ زیرا انرژی تابشی کمتری جذب می کند و اینگونه خنک تر می شویم.

2- یک روز گرم در زیر سایه یا هوای ابری:

لباس تیره؛ زیرا گرمای بیشتری به روش تابش از بدن ما منتشر می شود و اینگونه خنک تر می شویم.

3- یک روز سرد و آفتابی:

لباس تیره؛ زیرا انرژی تابشی بیشتری جذب می کند و در این صورت گرم تر می شویم .

4- یک روز سرد و ابری:

لباس روشن ؛ زیرا انرژی کمتری از بدنمان تابش می کند و با حفظ گرما ، باعث می شود گرمای کمتری از دست بدهیم.

دلیل کنترل دمای وسایل:

علت آن این است اگر دمای خیلی از چیزها را کنترل نکنیم، ممکن است خراب شوند؛ مثلا اگر دمای موتور خیلی بالا رود، موتور آسیب جدی می بیند و حتی ممکن است بسوزد.

سازوکار لازم در اتومبیل ها برای کنترل دمای موتور خودرو:

برای جلوگیری از این اتفاق، سامانه ی خنک کننده ی خودرو طراحی و ساخته شده است تا انرژی گرمایی موتور را به رادیاتور منتقل کند. رادیاتورها به صورت پهن و در نتیجه با سطح زیاد ساخته شده اند. این طراحی سبب از دست دادن گرما به صورت همرفت و تابش خواهد شد. علاوه بر این خودروها فن خنک کننده نیز دارند. هنگامی که موتور داغ شود، فن ها روشن می شوند و سبب دور شدن هوای داغ اطراف رادیاتور می شوند.

راه هایی که در فصول سرد ممکن است گرما از خانه خارج شود و یا در فصول گرم ، گرما وارد خانه شود ( گرما تلف شود ):

1) درز و شکاف پنجره ها

2) از طریق رسانش دیوارها ، سقف ، کف و در و پنجره ها

3) از طریق تابش از شیشه های پنجره ها و درها

4) کانال کولر (خروج هوای گرم در فصول سرد)

روش های مختلف جلوگیری از اتلاف گرما را در خانه:

1) عایق کردن دیوارها و سقف با موادی مثل پشم شیشه و یونولیت

2) استفاده از شیشه های دوجداره برای پنجره ها و درها

3) استفاده از درزگیر برای درزهای دیوارها ، درها و پنجره ها

4) فرش و موکت کردن کف ساختمان

4) استفاده از رادیاتورهای دارای دماپا (دماپا باعث می شود تا هنگامی که دمای محیط به حد کافی گرم شد جریان آب داغ قطع شود و به این طریق از اتلاف گرما توسط رادیاتور جلوگیری می شود.)

دلیل استفاده فلاسک خلأ برای ثابت نگه داشتن دمای نوشیدنی ها:

در فلاسک خلأ هر سه راه انتقال گرما (رسانش، همرفت و تابش) به درون آن و یا خروج از آن تقریبا امکان پذیر نیست. به همین دلیل می توان از آن برای خنک ماندن نوشیدنی هایی مثل آب میوه و یا گرم نگه داشتن نوشیدنی هایی مثل چای و قهوه استفاده نمود.

طرز کار فلاسک خلأ:

اصلی ترین جز فلاسک یک بطری شیشه ای دو جداره است که بین آن خلأ است و روی سطح آن، هم از داخل و هم از بیرون نقره اندود است. دلیل استفاده فلاسک خلأ برای ثابت نگه داشتن دمای نوشیدنی ها این است که در آن هر سه راه انتقال گرما (رسانش، همرفت و تابش) به درون آن و یا خروج از آن تقریبا امکان پذیر نیست. به همین دلیل می توان از آن برای خنک ماندن نوشیدنی هایی مثل آب میوه و یا گرم نگه داشتن نوشیدنی هایی مثل چای و قهوه استفاده نمود.

در فلاسک خلا به دلایل زیر گرما نمی تواند به هر یک از سه روش انتقال گرما وارد یا خارج شود:

رسانش :

خلا به طور کامل از رسانش گرما از دیواره های فلاسک جلوگیری می کند. در پوش چوب پنبه ای یا پلاستیکی توخالی نیز حاوی هواست که رسانای ضعیف گرما می باشد.

همرفت:

در خلا بین دو دیواره شیشه ای جریان همرفتی نیز وجود ندارد. تنها هنگامی که درپوش فلاسک برداشته شود جریان همرفتی می تواند باعث انتقال گرما شود.

تابش:

جلوگیری از تابش گرما از همه مشکل تر است زیرا این تابش می تواند از خلا بین دو دیواره بگذرد. پوشش نقره ای روی دیواره های شیشه ای باعث کاهش انتقال گرما از طریق تابش می شود.