تبادل حرارتی: سفر گرما از جسم گرم به سرد
گرما چیست و چگونه سفر می‌کند؟
گرما۳ شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم جابه‌جا می‌شود. همیشه این جریان از ناحیه‌ی با دمای بالاتر به ناحیه‌ی با دمای پایین‌تر است. تصور کنید یک لیوان آب داغ و یک لیوان آب سرد دارید. اگر یک قاشق فلزی را ابتدا در لیوان آب داغ و بلافاصله بعد در لیوان آب سرد قرار دهید، با دست خود احساس می‌کنید که دسته‌ی قاشق گرم شده است. این یعنی گرما از آب داغ، به قاشن و سپس به دست شما منتقل شده است.
سه روش اصلی برای سفر گرما وجود دارد:
| نام روش | چگونگی انتقال | مثال ملموس |
|---|---|---|
| رسانش۴ | انتقال گرما از طریق تماس مستقیم بین اجسام | داغ شدن دسته‌ی قاشق فلزی وقتی یک سر آن در ظرف غذای داغ است |
| هم‌رفتی۵ | انتقال گرما توسط حرکت خود مایع یا گاز (مثلاً وقتی بخشی گرم می‌شود و بالا می‌رود) | گرم شدن هوای اتاق توسط یک بخاری |
| تشعشع۶ | انتقال گرما توسط امواج (مانند نور) بدون نیاز به تماس یا محیط مادی | گرم شدن پوست در زیر نور خورشید |
تعادل حرارتی؛ پایان سفر گرما
وقتی دو جسم در تماس با هم باشند، گرما بین آن‌ها رد و بدل می‌شود تا زمانی که دمای هر دو یکسان شود. به این حالت تعادل حرارتی می‌گویند. پس از رسیدن به این نقطه، دیگر جریان خالص گرمایی بین آن‌ها برقرار نیست. برای درک بهتر، یک سکه‌ی فلزی سرد را در کف دست گرم خود قرار دهید. پس از چند لحظه، هم سکه گرم‌تر و هم دست شما کمی خنک‌تر به نظر میرسد. این یعنی هر دو به دمای میانی نزدیک شده‌اند.
تبادل حرارتی در زندگی روزمره
این پدیده آنقدر در اطراف ما رواج است که شاید متوجه آن نباشیم. وقتی یک نوشابه را از یخچال بیرون می‌آورید و روی پیشخوان آشپزخانه می‌گذارید، کم‌کم گرم می‌شود. این به دلیل جذب گرمای از محیط (هوای آشپزخانه) است. برعکس، وقتی یک غذای داغ را برای خنک شدن روی میز می‌گذارید، گرما از غذا به هوای اطراف منتقل می‌شود. پوشیدن یک ژاکت در زمستان نیز مثال خوبی است. ژاکت با ایجاد یک لایه عایق، سرعت تبادل حرارت بین بدن شما و هوای سرد بیرون را کاهش می‌دهد و شما را گرم نگه می‌دارد.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
بله! وقتی دماسنج را زیر زبان خود قرار می‌دهید، گرما از بدن شما به دماسنج منتقل می‌شود. این انتقال گرما باعث انبساط ماده‌ی درون دماسنج (مانند جیوه یا الکل رنگی) می‌شود و سطح آن در ستون دماسنج بالا می‌رود. وقتی دماسنج و بدن شما به تعادل حرارتی برسند، عدد نشان داده شده، دمای بدن شما خواهد بود.
خیر. مقدار کل گرما به دما و جرم جسم بستگی دارد. یک سوزن داغ با دمای بسیار بالا، گرمای کلی کمی دارد چون جرم بسیار ناچیزی دارد. در مقابل، یک استخر بزرگ پر از آب با دمای معمولی، به دلیل جرم بسیار زیادش، گرمای کلی بسیار بیشتری در خود ذخیره کرده است.
فلزات رسانای خوبی برای گرما هستند. آن‌ها می‌توانند گرما را با سرعت زیادی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر منتقل کنند. بنابراین وقتی به یک صندلی فلزی در روز سرد دست می‌زنید، به سرعت گرما از دست شما به فلز منتقل می‌شود و شما احساس سرما می‌کنید. اما یک صندلی چوبی در همان دما، چون رسانای ضعیفی است، گرما را به کندی از دست شما می‌گیرد و بنابراین سرد به نظر نمی‌رسد.
پاورقی
۱ تبادل حرارتی (Heat Transfer)
۲ تعادل حرارتی (Thermal Equilibrium)
۳ گرما (Heat)
۴ رسانش (Conduction)
۵ هم‌رفتی (Convection)
۶ تشعشع (Radiation)
۷ ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity)
