دانشمندان از حدود سه قرن پیش،‌مطالعه ی درباره گرما را آغاز کردند. در آن زمان، مردم معتقد بودند که گرما یک ماده ی نامرئی است.اعتقاد بر آن بود که وقتی یک ماده گرم در کنار یک ماده سرد قرار می گیرد، ماده ای نامرئی به نام کالریک از ماده ی گرم خارج می شود و به ماده سرد منتقل می شود. به همین دلیل ماده ی گرم سرد می شود و ماده سرد، ‌گرم می شود.
امروزه می دانیم که گرما ماده نیست بلکه یکی از صوت های انرژی است. همانطور که انرژی مکانیکی، الکتریکی و انرژی شیمیایی نیز صورت های دیگری از انرژی هستند و می توانند به هم تبدیل شوند.

انرژی درونی:

هر ماده از ذرات بی شماری ساخته شده است و هر ذره مقداری انرژی دارد. به مجموعه انرژیهای ذرات سازنده هر ماده انرژی درونی آن ماده می گویند. هر چه ذرات سازنده ماده بیشتر و انرژی هر ذره آن زیادتر باشد. انرژی درونی آن ماده بیشتر است .
انرژی درونی هر ماده ، هم به انرژی جنبشی ذرات آن ماده (یعنی سرعت حرکت آن ها) و هم به انرژی پتانسیل (ذخیره شده) ذرات سازنده ی آن ماده بستگی دارد. انرژی پتانسیل هر یک از ذرات سازنده هر ماده در اثر نیرویی که از طرف ذرات اطراف به آن وارد می شود، بوجود می آید.
هنگامی که یک جسم گرم در کنار یک جسم سرد قرار می گیرد ،‌مقداری انرژی از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود. درواقع گرما، مقدار انرژی منتقل شده از جسم گرم به جسم سرد است. در اثر انتقال گرما از جسم گرم به جسم سرد، انرژی درونی جسم گرم کاهش و انرژی درونی جسم سرد افزایش می یابد.

واحد اندازه گیری انرژی :

همان طور که می دانید برای اندازه گیری هر کمیتی مقیاس یا واحدی لازم است به نام یکا. برای مثال یکای طول متر و یکای جرم کیلوگرم است. برای گرما و انرژیهای دیگر نیز یکای ژول را بکار می برند. ژول نام فیزیکدان انگلیسی است که در زمینه مفهوم گرما تحقیقات فراوانی به عمل آورده است.

دما :

گرما و دما دو کمیت مرتبط به یکدیگر هستند، اما این به معنای آن نیست که هر دو یک کمیت و یک معنا هستند. دمای یک جسم در واقع نشان دهنده ی سرعت حرکت ذرات تشکیل دهنده آن است. هر چه سرعت حرکت ذرات یک ماده بیشتر باشد دمای آن جسم بالاتر است.
به همین دلیل می توان گفت که افزایش دمای یک جسم به معنی افزایش انرژی جنبشی ذرات آن جسم است.

گرمای نهان :

از آزمایش صفحه ۵۴ کتاب نتیجه گرفته می شود که در تمام مدت ذوب یخ، دمای مخلوط آب و یخ ثابت می ماند. بنابراین گرمای داده شده به مخلوط کجا رفته است؟ این گرما صرف تغییر حالت یخ (از حالت جامد به مایع) می شود. یعنی در این حالت، گرچه جسم گرما می گیرد و انرژی درونی آن افزایش می یابد اما دمای آن تغییر نمی کند. به این انرژی گرمای نهان ذوب می گوئیم.
گرمای نهان ذوب عبارت است از مقدار گرمایی که باید به ماده جامد در دمای نقطه ی ذوب آن بدهیم تا در همان دما از حالت جامد به مایع تبدیل شود.در جدول زیر گرمای نهان ذوب بعضی مواد برای جرم یک کیلوگرم آن ها آورده شده است.

فکر کنید ،‌ ص ۵۵
به نظر شما چرا این انرژی را گرمای نهان ذوب نامگذاری کرده اند؟

چون این انرژی به انرژی درونی جسم تبدیل می شود بدون آنکه دمای جسم تغییر کند.

همان طور که برای انجماد ماده باید به آن گرما بدهیم یا از آن گرما بگیریم ،‌برای تبخیر و میعان نیز باید همین کار صورت پذیرد.

فکر کنید ۲ ،‌ص ۵۵
آیا می توانید با استفاده از تعریف گرمای نهان ذوب، گرمای نهان انجماد را تعریف کنید؟
به نظر شما آیا گرمای نهان انجماد و جسم با گرمای نهان ذوب آن مساوی است؟
- بله، گرمای نهان انجماد مقدار گرمایی است که در نقطه انجماد از واحد جرم گرفته تا از حالت مایع به جامد تبدیل شود.
- بله،گرمای نهان ذوب همیشه برابر نهان انجماد است.

انتقال گرما :

گرما به روش های مختلفی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می شود.

رسانایی :

یکی از راههای انتقال گرما ، رسانایی است. ذره های تشکیل دهنده ی هر ماده دائماً در حال جنبش و نوسان هستند و هر چه ماده بیشتر باشد سرعت نوسان مولکول های آن بیشتر است.

فکر کنید. ص ۵۶
به نظر شما اگر قسمتی از ماده را در هر یک از این سه حالت گرم کنیم (منطقه گرم با رنگ مشخص شده است )‌ گرما در کدام حالت به روش رسانایی بهتر منتقل می شود؟ چرا؟

گرما به روش رسانایی در جامدات بهتر منتقل می شود زیرا فاصله ذره های جسم کمتر است . در جامد ذره ها به هم نزدیکترند و گرما بهتر و زود تر منتقل می شود.

در انتقال گرما به روش رسانایی، 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.
روشن است که هر چه فاصله های مولکول ها از هم کمتر باشد، یعنی مولکلول 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 بین مواد جامد، رسانایی گرمایی فلزات از دیگر مواد جامد چون شیشه، لاستیک و چوب بیشتر است. در بین فلزات نیز رسانایی گرمایی بعضی از فلزات از بعضی دیگر بیشتر است.

همرفت :

یکی دیگر از راههای انتقال گرما همرفت یا جا به جایی است. 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.

علت بوجود آمدن جریان همرفتی:

آیا می دانید علت پیدایش جریان همرفتی چیست؟ برای یافتن پاسخ این سؤال ، ابتدا باید با مفهوم به نام چگالی آشنا شوید. چگالی هر ماده، جرم یک سانتی متر مکعب از آن ماده است. برای مثال اگر شما یک قطعه آهن به حجم یک سانتی متر مکعب را در نظر بگیرید این قطعه آهن ۸/۷ گرم جرم وجود دارد. می گوئیم چگالی آهن ۸/۷ گرم بر سانتی متر مکعب است. چگالی آب خالص ۱ گرم بر سانتی متر مکعب است. جدول زیر ،‌جرم یک سانتی متر مکعب از چند ماده ی مهم را بر حسب گرم (g) را نشان می دهد.

اکنون می توان علت بوجود آمدن جریان همرفتی را توضیح داد:
می دانید که 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. به همین دلیل است که وقتی یک قسمت از مایع را گرم می کنیم چگالی آن قسمت از مایع کمتر می شود و آن قسمت به طرف بالا حرکت می کند. در این هنگام مایعات اطراف جای آن را پرمی کند. این روال ادامه می یابد و بتدریج تمام مایع گرم می شود.

برای ایجاد جریان همرفتی در یک ماده سه شرط لازم است.
۱ – ماده باید مایع یا گاز باشد.
۲ – بین دو نقطه ای آن اختلاف دما وجود داشته باشد. یعنی قسمتی از آن گرم و قسمتی دیگر سرد باشد.
۳ – قسمت گرم پائین تر از قسمت سرد باشد.

تابش

آزمایش کنید. ص ۶۰
۱ – در یک لوله آزمایش کمی یخ بریزید و روی یخ یک قطعه توری فلزی بیندازید تا یخ را در کف لوله نگهدارد. در یک لوله آزمایش دیگر فقط کمی یخ بریزید. سپس هر دو لوله را تقریباً پر از آب کنید.
۲ – قسمت بالای لوله ی اول و قسمت پائین لوله ی دوم را مطابق شکل، روی چراغ الکلی بگیرید. چه مشاهده می کنید؟ در کدام لوله یخ، زودتر آب می شود؟در لوله اول آب به جوش می آید بدون آنکه یخ ذوب شود. در لوله دوم یخ شروع به ذوب شدن می کند و پس از ذوب شدن آب گرم شده به جوش می آید.
به دو پرسش زیر پاسخ دهید.
۱ – از این آزمایش،‌ درباره میزان رسانایی گرمایی آب، چه نتیجه ای می توان گرفت؟
۲ – در کدام لوله جریان همرفتی بوجود می آید؟ چرا؟

۱-آب رسانای خوبی نیست زیرا گرما را به یخ منتقل نکرد(در لوله اول)
۲-در لوله ی دوم، زیرا جریان همرفتی همیشه از پائین به بالا برقرار است.

تابش :

سومین راه انتقال گرما تابش است. در انتقال گرما به روش تابش ، نیازی بوجود ماده نیست. 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 بخوبی حس کرده اید.

معمولاً تصور می شود که وقتی مقابل آفتاب قرار می گیریم، نور خورشید ما را گرم می کند.این تصور نه کاملاً غلط است و نه درست. همان طور که می دانید نور خورشید ترکیبی از رنگ های مختلف همچون بنفش ، آبی، سبز، زرد و قرمز است. به این قسمت از نور خورشید نور مرئی می گویند. علاوه بر این در تابش خورشید پرتوهایی نامرئی نیز وجود دارد که یک دسته از آن ها پرتوهای فروسرخ (مادون قرمز) است. این پرتوها وقتی به جسمی بتابد گرمای بیشتر تولید می کنند. پرتوهای فروسرخ، نوعی موج الکترو مغناطیسی به حساب می آیند.
در اتو یا لامپ انرژی الکتریکی به انرژی تابشی تبدیل می شود، در یک لامپ معمولی، حدود ۲۰ درصد از انرژی الکتریکی به نور مرکز و حدود ۸۰ درصد به پرتوهای فروسرخ تبدیل می شود.
بطور کلی هر جسمی در هر دمایی که باشد، همواره مقداری انرژی تابشی از محیط اطراف خود دریافت می کند و مقداری انرژی تابشی در محیط منتشر می سازد. وقتی یک جسم گرم و یک جسم سرد در کنار هم قرار می گیرند،‌مقدار انرژی که جسم سرد می گیرد، بیش از مقداری است که به محیط می دهد بنابراین گرما به تدریج از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود تا این که دو جسم به دمای تعادل برسند یعنی با هم، هم دما شوند.

گرم سازی و سرد سازی :
گاه انسان برای رسیدن به دمای مناسب و مورد نظر گاهی مجبور است دما را کاهش و گاهی افزایش دهد. این کار چگونه انجام می گیرد؟

گرم سازی :

باید بدانیم که گرم سازی نیاز به یک منبع گرما دارد. این منبع گرما ممکن است آتش حاصل از تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی گرمایی، گرمای حاصل از جریان برق یا گرمای خورشید باشد.
بخاری نفتی معمولاً یک جریان همرفتی در اتاق ایجاد می کند که سبب می شود اتاق گرم شود. یکی دیگر از وسایل گرم کننده،‌در محیط های مسکونی شوفاژ است. در شوفاژ ، آب در مجاورت منبع گرما داغ می شود. (در موتور خانه شوفاژ) و سپس از طریق لوله هایی به درون رادیاتورها که در محیط نصب شده است،‌حرکت می کند. وقتی رادیاتور داغ می شود هوای اطراف خود را گرم می کند و محیط را به روش همرفت گرم می کند.

جلوگیری از اتلاف گرما:

همان طور که می دانید بعضی از منابع انرژی مورد استفاده ما هم چون خورشیدی،‌انرژی باد و آب های جاری که به آن مربوط می شوند و نیز انرژی گرمایی درون زمین و انرژی امواج و جزر و مد، انرژی هایی هستند که تا مدت ها در اختیار ما خواهند بود. به این زودی تمام نخواهد شد. از این رو به آنها منابع انرژی تمام نشدنی می گویند. در مقابل بعضی دیگر از منابع انرژی هم چون نفت، زغال سنگ گاز طبیعی منابع تمام شدنی هستند.

فکر کنید :‌ص ۶۶
یکی از راه های جلوگیری از اتلاف گرما استفاده از پنجره ی دو لایه است. به نظر شما پنجره ی دو لایه با کدام یک از راههای انتقال گرما از هدر رفتن گرما جلوگیری می کند؟

چون بین دو لایه مقداری هوا قرار می گیرد و هوا هم عایق است و از انتقال گرما به طریق رسانایی جلوگیری می کند.

سردسازی :

انسان برای رسیدن به دمای مناسب مجبور است دمای موجود را افزایش یا کاهش دهد، اما بهتر است بدانید که به طور کلی گرم سازی بسیارآسان تر از سردسازی است. سردسازی معمولاً با استفاده از تبخیر مایع ها انجام می شود. زیرا هر گاه مایعی بخواهد تبخیر شود. برای تبخیر شدن مقداری گرما از محیط اطراف خود جذب می کند واین امر سبب می شود که دمای محیط اطراف کاهش یابد.
در یخچال ها،‌سردخانه ها و کولرهای گازی نیز تبخیر یک مایع سبب سرد شدن محیط داخل آن می شود.برای مثال در یخچال مایعی به نام فریون در داخل لوله هایی که در قسمت یخ ساز قرار دارد وارد می شود. این مایع گرما را از آن محیط می گیرد بخار می شود.
در نتیجه موادی که داخل یخچال هستند، کاملاً سرد می شوند. سپس فریون که حالا به بخار تبدیل شده است،‌از طریق لوله به محیط خارج از یخچال منتقل و بوسیله ی موتور الکتریکی یخچال فشرده می شود و گرمای خود را از دست می دهد . … فریون دوباره به مایع تبدیل و به درون یخ ساز فرستاده می شود. این عمل آن قدر ادامه می یابد که یخچال کاملاً سرد می شود.

آزمایش کنید. ص ۶۷
مقداری الکل روی دست خود بریزید و به آن فوت کنید. چه اتفاقی می افتد؟ چرا؟
آیا می توانید توضیح دهید که چرا در قدیم آب را برای خنک شدن داخل کوزه نگهداری می کردند؟
-دست ما احساس سرما می کند. زیرا ا لکل به سرعت تبخیر شده و گرمای زیادی را از دست ما می گیرد.
چون کوزه از گل زمین پخته ساخته شده مقداری از آب درون آن به بیرون تراوش می کند، آب سطح کوزه برای تبخیر شدن گرما از درون کوزه گرفته و آب درون آن خنک می شود.

کار و گرما :

یکی از مهم ترین موارد استفاده از گرما، استفاده از آن در صنعت و به حرکت درآوردن انواع ماشین هاست. این کار از طریق تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی انجام می شود. دستگاهی که انرژی گرمازا به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. ماشین گرمایی نام دارد، ماشین گرمایی انواع گوناگونی دارد.

موتور اتومبیل :

: موتور اتومبیل ها و موتور سیکلت ها یکی از رایج ترین انواع ماشین های گرمایی است. در این نوع موتورها، ابتدا مخلوطی از سوخت و هوا به داخل یک محفظه فلزی ‌استوانه ای شکل ،‌به نام سیلندر مکیده می شود. (مرحله مکش)، سپس با بالا آمدن پیستون این مخلوط فشرده می شود (مرحله فشرده شدن)، پس از آن شمع اتومبیل جرقه می زند و مخلوط را مشتعل می کند (مرحله آتش گرفته) و در مرحله ی آخر، پیستون دوباره به بالا حرکت می کند و دودهای حاصل از سوختن مخلوط را به بیرون می راند( مرحله خروج دود) به چنین موتوری چهارزمانه می گویند.

اطلاعات جمع آوری کنید: ص ۷۰
۱ – کاربراتور چه نقشی در اتومبیل برعهده دارد؟
۲-در اتومبیل اگر نسبت مقدار هوایی که با سوخت مخلوط می شود مناسب نباشد چه مشکلاتی بوجود می آید؟

- مخلوط کردن بنزین یا هوا به نسبت معین برای سوختن
- احتراق به خوبی انجام نمی گیرد، سوخت کامل نمی سوزد واتومبیل دود سیاه می کند وموتور به خوبی کار نمی کند.

موتور جت :

نوع دیگری از موتورهایی گرمایی موتور جت است. از موتور جت معمولاً در هواپیما استفاده می شود. موتور جت پیستون ندارد، بلکه هوا به وسیله یک دمنده به داخل موتور جت دمیده می شود و می سوزد و مقدار زیادی گاز( گازهای داغ) با فشار زیاد تولید می کند. این گازها که با سرعت زیاد از داخل موتور جت خارج می شوند، در مسیر خود، چرخ دایره دار بزرگی به نام توربین را که در سر راه قرار دارد به حرکت در می آورند.

موتور موشک :

موتور موشک به عنوان سومین ماشین گرمایی،‌خود نوعی موتور جت است. در موتور موشک سوخت با اکسیژن مخلوط می شود و در محفظه ی احتراق می سوزد. در نتیجه این عمل، مقدار زیادی گاز داغ با سرعت زیاد از انتهای موشک خارج می شود.همانطور که بادکنک هنگام حرکت در جهت مخالف هوایی که از درونش خارج می شود. حرکت می کند، موشک نیز در جهت مخالف گازهای داغ که از انتهای آن خارج می شود به طرف جلو حرکت می کند.
موشک ها چون می توانند اکسیژن مورد نیازشان را با خود حمل کنند،‌ بنابراین در خارج از جو زمین و مسافرت های فضایی مورد استفاده قرار می گیرند.

پرسش وپاسخ فصل ۴
۱- گرماچیست؟

گرما صورتی از انرژی است که اگر به جسمی داده شود جنبش ذرات آن بیشتر واگر از ماده گرفته شود جنبش ذرات آن کم می شود

۲- انرژی درونی یک ماده به چه جیزهایی بستگی دارد؟
به انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل ذرات موجود در ماده بستگی دارد

۳ – دما چیست؟
مقدار گرمایی است که به یک کیلوگرم ماده ی جامد در نقطه ذوب داده می شود تا از حالت جامد به مایع درآید.

۴- گرمای نهان ذوب چیست ؟
مقدار گرمایی است که به یک کیلو گرم ماده ی جامد داده می شود تا از جامد به مایع تبدیل شود

۵ – گرمای نهان میعان چیست؟
مقدار گرمایی است که به یک کیلوگرم ماده ی جامد در نقطه ذوب داده می شود تا ازحالت جامد به مایع درآید.

۶ – تفاوت اجسام سرد با اجسام گرم از نظر انرژی تابشی چیست؟
اجسام سرد انرژی بیشتری دریافت می کنند و کمتر صادر می کنند اما اجسام گرم انرژی کمتری را گرفته و انرژی بیشتر را صادر می کنند.

۷ – برای عمل سرد سازی از کدام تغییر حالت ماده استفاده می شود؟
تبخیر – میعان

۸ – موتور اتومبیل دارای چند مرحله است ؟ نام ببرید؟
مکش – تراکم – انفجار – تخلیه