تعادل گرمایی: وقتی گرما جریان ندارد
دما و انرژی گرمایی: پیش‌نیازهای درک تعادل
برای فهمیدن تعادل گرمایی، ابتدا باید با دو مفهوم اساسی آشنا شویم: دما و انرژی گرمایی. این دو با هم مرتبط هستند، اما دقیقاً یکی نیستند.
یک فنجان چای کوچک و یک کتری پر از آب ممکن است هر دو دمای یکسانی داشته باشند (مثلاً 80 درجه سانتی‌گراد)، اما کتری به دلیل داشتن آب بیشتر، ذرات بیشتری دارد؛ در نتیجه انرژی گرمایی بسیار بیشتری در خود ذخیره کرده است. گرما همیشه از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر جریان می‌یابد تا این اختلاف دما از بین برود.
| ویژگی | دما | انرژی گرمایی |
|---|---|---|
| تعریف | میزان گرمی یا سردی یک جسم | کل انرژی ذخیره شده در ذرات یک جسم |
| وابستگی به جرم | مستقل از جرم است | مستقیماً به جرم وابسته است |
| واحد اندازه‌گیری | درجه سانتی‌گراد (°C)، کلوین (K) | ژول (J) |
| مثال | یک لیوان و یک حوض آب هر دو در 25°C | حوض آب انرژی گرمایی بسیار بیشتری دارد |
تعریف علمی تعادل گرمایی
هنگامی که دو جسم با دماهای متفاوت در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، انتقال گرما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر آغاز می‌شود. این فرآیند آنقدر ادامه می‌یابد تا دمای هر دو جسم کاملاً یکسان شود. در این نقطه، گرما دیگر به صورت خالص از یک جسم به جسم دیگر جریان نمی‌یابد. به این وضعیت تعادل گرمایی۱ می‌گویند.
فرمول ریاضی ساده‌ای که این رابطه را نشان می‌دهد، قانون صفرم ترمودینامیک۴ است. اگر جسم A با جسم B در تعادل گرمایی باشد و جسم B نیز با جسم C در تعادل گرمایی باشد، آنگاه جسم A و جسم C نیز با یکدیگر در تعادل گرمایی خواهند بود. این مفهوم به سادگی توسط رابطه زیر نشان داده می‌شود:
رسیدن به تعادل: یک سفر سه‌مرحله‌ای
رسیدن به تعادل گرمایی را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد:
۱. تماس: دو جسم با دماهای متفاوت کنار هم یا در تماس مستقیم قرار می‌گیرند. مثلاً وقتی یک قاشق سرد فلزی را داخل یک فنجان چای داغ می‌گذارید.
۲. انتقال: انرژی گرمایی از چای داغ (دمای بالاتر) به قاشق فلزی (دمای پایین‌تر) جریان می‌یابد. این انتقال معمولاً از طریق هدایت۵ صورت می‌گیرد.
۳. توقف: پس از مدتی، هم قاشق و هم چای به یک دمای مشترک می‌رسند. در این لحظه، گرما همچنان بین آن‌ها مبادله می‌شود، اما میزان گرمای دریافت‌شده و ازدست‌رفته توسط هر جسم در هر لحظه برابر است. بنابراین انتقال خالص گرما صفر می‌شود و تعادل برقرار می‌گردد.
تعادل گرمایی در زندگی روزمره و فناوری
این مفهوم تنها یک تئوری در کتاب‌های درسی نیست؛ شما هر روز آن را تجربه می‌کنید.
مثال ۱: گرم کردن غذا وقتی یک قابلمه سرد حاوی غذا را روی اجاق گاز می‌گذارید، ابتدا گرما از شعله به کف قابلمه منتقل می‌شود. سپس این گرما در تمام غذا پخش می‌شود تا تمام بخش‌های آن به یک دمای یکنواخت برسند. وقتی شما غذا را احتمال می‌کنید و همه جای آن گرم است، نشان می‌دهد که غذا در درون خود به تعادل گرمایی نزدیک شده است.
مثال ۲: تنظیم دمای اتاق توسط ترموستات وسایل گرمایشی و سرمایشی خانه شما برای حفظ یک دمای ثابت طراحی شده‌اند. ترموستات دما را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی دمای اتاق از حد تنظیم شده پایین‌تر می‌رود، بخاری روشن می‌شود تا گرما تولید کند و هوا را گرم کند. این گرما به اجسام و هوای اتاق منتقل می‌شود تا دوباره همه چیز به دمای مطلوب (نقطه تعادل) برگردد. سپس بخاری خاموش می‌شود. این چرخه مدام تکرار می‌شود تا تعادل دما در اتاق حفظ شود.
مثال ۳: دماسنج پزشکی وقتی دماسنج را زیر زبان خود قرار می‌دهید، گرما از بدن شما به حباب دماسنج منتقل می‌شود. جیوه یا الکل داخل دماسنج منبسط می‌شود و در طول لوله بالا می‌رود. این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که دماسنج و بدن شما به یک دما برسند (یعنی در تعادل گرمایی قرار بگیرند). سپس عددی که می‌خوانید، دمای بدن شما در آن لحظه است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. تبادل گرما در سطح میکروسکوپی همچنان ادامه دارد، اما نرخ (سرعت) انتقال گرما از جسم A به B دقیقاً برابر با نرخ انتقال گرما از جسم B به A است. بنابراین انتقال خالص گرما صفر است و دمای کلی اجسام تغییر نمی‌کند.
بله، این دقیقاً تعریف تعادل گرمایی است. دما یکانی شرط لازم و کافی برای برقراری تعادل گرمایی بین دو جسم است.
هر دو احتمالاً دمای یکسانی دارند (هم‌دما با هوای اتاق). اما فلز رسانای گرمایی بهتری است و وقتی دست شما را لمس می‌کند، گرما را با سرعت بسیار بیشتری از دست شما می‌گیرد. این احساس از دست دادن سریع گرما، مغز شما را فریب می‌دهد تا فکر کند قاشف "سردتر" است، در حالی که فقط گرما را سریع‌تر انتقال می‌دهد.
پاورقی
۱ تعادل گرمایی (Thermal Equilibrium)
۲ دما (Temperature)
۳ انرژی گرمایی (Thermal Energy)
۴ قانون صفرم ترمودینامیک (Zeroth Law of Thermodynamics)
۵ هدایت (Conduction)
