تعادل گرمایی: راز همدمایی اشیاء
درک مفهوم بنیادی: گرما همیشه از جسم گرمتر به جسم سردتر جریان مییابد
گرما چیست و چگونه منتقل میشود؟
برای درک تعادل گرمایی، ابتدا باید بدانیم گرما چیست. گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم منتقل میشود. دما معیاری برای اندازهگیری میزان گرمی یا سردی یک جسم است و با دستگاهی به نام دماسنج4 اندازهگیری میشود. واحدهای رایج دما °C (درجه سلسیوس) و K (کلوین) هستند.
انتقال گرما به سه روش اصلی انجام میشود:
| روش انتقال | نحوهٔ کار | مثال |
|---|---|---|
| رسانایی5 | انتقال گرما از طریق تماس مستقیم بین مولکولها. در جامدات بهتر رخ میدهد. | داغ شدن دسته قاشق فلزی که در فنجان چای داغ قرار دارد. |
| همرفت6 | انتقال گرما توسط حرکت خود ماده (مایع یا گاز). قسمت گرم بالا رفته و قسمت سرد جایگزین میشود. | گرم شدن هوای اتاق توسط شوفاژ. جوشیدن آب در کتری. |
| تشعشع7 | انتقال انرژی توسط امواج الکترومغناطیسی (مانند نور). نیاز به ماده ندارد. | گرم شدن زمین توسط خورشید. احساس گرما از کنار آتش. |
زمانی که دو جسم با دمای متفاوت در تماس قرار میگیرند، بهطور طبیعی گرما از جسم با دمای بالاتر (منبع انرژی) به جسم با دمای پایینتر (گیرنده انرژی) جریان مییابد. این فرآیند آنقدر ادامه مییابد تا اختلاف دما از بین برود. در این لحظه، گفته میشود دو جسم به تعادل گرمایی رسیدهاند.
چه عواملی بر دمای نهایی تعادل تأثیر میگذارند؟
وقتی دو جسم به تعادل گرمایی میرسند، دمای نهایی آنها لزوماً برابر میانگین دمای اولیه نیست. این دما به دو ویژگی مهم هر جسم بستگی دارد:
- جرم (m): مقدار ماده تشکیلدهنده جسم. هر چه جرم جسم بیشتر باشد، برای تغییر دمای آن به انرژی گرمایی بیشتری نیاز است. واحد جرم kg (کیلوگرم) است.
- ظرفیت گرمایی ویژه (c): مقدار گرمایی که باید به 1 kg از یک ماده داده شود تا دمای آن 1 °C (یا 1 K) افزایش یابد. این مقدار برای هر ماده منحصربهفرد است. مثلاً آب ظرفیت گرمایی ویژه بالایی دارد (4180 J/(kg·°C))، یعنی برای گرم کردن آن انرژی زیادی لازم است.
مقدار گرمای مبادله شده ($Q$) با این رابطه محاسبه میشود:
که در آن:
$Q$ = گرمای مبادله شده (ژول)، $m$ = جرم (کیلوگرم)، $c$ = ظرفیت گرمایی ویژه (J/(kg·°C))، $\Delta T$ = تغییر دما (درجه سلسیوس).
در یک سیستم بسته که دو جسم با هم تبادل گرما میکنند، گرمایی که جسم گرمتر از دست میدهد، دقیقاً برابر گرمایی است که جسم سردتر به دست میآورد (اصل پایستگی انرژی). بنابراین میتوان نوشت:
$Q_\text{از دست داده شده} = Q_\text{به دست آمده}$
$m_1 c_1 (T_1 - T_f) = m_2 c_2 (T_f - T_2)$
که در آن $T_1$ دمای اولیه جسم گرمتر، $T_2$ دمای اولیه جسم سردتر و $T_f$ دمای نهایی تعادل است.
| شرح آزمایش فرضی | دمای اولیه | نتیجهگیری |
|---|---|---|
| مخلوط کردن 1 kg آب در 80 °C با 1 kg آب در 20 °C. | 80 °C و 20 °C | دمای نهایی حدود 50 °C (میانگین ساده) چون جرم و ظرفیت گرمایی هر دو یکسان است. |
| مخلوط کردن 2 kg آب در 30 °C با 1 kg آب در 90 °C. | 30 °C و 90 °C | دمای نهایی نزدیکتر به 30 °C خواهد بود، زیرا جرم آب سرد بیشتر است و تأثیر بیشتری بر تعادل دارد. |
| قراردادن یک تکه آهن داغ در یک سطل آب. | آهن: 300 °C، آب: 25 °C | دمای نهایی بسیار نزدیک به 25 °C است، زیرا جرم آب زیاد و ظرفیت گرمایی ویژه آن نیز بسیار بالا است. آهن با c پایینتر، به سرعت خنک میشود. |
تعادل گرمایی در خانه، طبیعت و فناوری
این مفهوم به ظاهر ساده، توضیحدهنده بسیاری از پدیدههای اطراف ماست:
- آشپزی: وقتی قابلمه را روی اجاق گاز میگذارید، گرما از شعله (دمای بالا) به کف قابلمه (دمای پایین) منتقل میشود و سپس درون قابلمه، بین فلز قابلمه و آب و مواد غذایی، تعادل گرمایی برقرار میشود تا همه به دمای پخت برسند.
- تهویه مطبوع: کولر گازی هوای گرم اتاق را میگیرد و هوای سرد را به داخل میدمد. این هوای سرد با هوای گرم اتاق مخلوط شده و پس از تبادل گرما، در نهایت دمای کل فضای اتاق به یک میزان مطلوب (دمای تنظیم شده روی ترموستات) میرسد.
- اقیانوسها و آب و هوا: آب دریاها به دلیل ظرفیت گرمایی ویژه بالای آب، در روز آهستهتر از خشکی گرم و در شب آهستهتر سرد میشوند. این اختلاف دما بین خشکی و دریا باعث ایجاد بادهای محلی میشود که نمونهای از تلاش طبیعت برای برقراری تعادل گرمایی در مقیاس بزرگ است.
- پایههای علم پزشکی: دماسنج بدن (تبسنج) با قرارگیری در دهان یا زیر بغل، پس از چند دقیقه به دمای بدن میرسد. این به دلیل برقراری تعادل گرمایی بین بدن بیمار و مخزن جیوه یا سنسور دماسنج است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 تعادل گرمایی (Thermal Equilibrium)
2 انرژی گرمایی (Thermal Energy)
3 ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity)
4 دماسنج (Thermometer)
5 رسانایی (Conduction)
6 همرفت (Convection)
7 تشعشع (Radiation)
