گرما (Heat): انرژی انتقالی به دلیل اختلاف دما
دما و گرما: دو مفهوم مرتبط اما متفاوت
برای درک گرما، ابتدا باید تفاوت آن با دما را بدانیم. این دو اغلب به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما در فیزیک معانی کاملاً مجزایی دارند.
دما معیاری از متوسط انرژی جنبشی3 ذرات یک جسم است. وقتی دماسنج را در دهان خود قرار میدهید، عددی که نشان میدهد، بیانگر میزان تندی حرکت مولکولهای بدن شماست. واحدهای رایج دما، سلسیوس (°C) و کلوین (K) هستند.
گرما خودِ انرژی در حال انتقال از جسم گرمتر به جسم سردتر است. این انتقال تا زمانی ادامه مییابد که دو جسم به تعادل گرمایی4 برسند، یعنی دمای یکسانی داشته باشند. واحد گرما در سیستم استاندارد بینالمللی، ژول5 (J) است.
مثال: یک قاشق فلزی و یک قاشق چوبی را کنار هم در یک کاسه سوپ داغ قرار دهید. پس از چند دقیقه، دمای هر دو قاشق یکسان است (دماسنج عدد یکسانی را نشان میدهد). اما قاشق فلزی حس گرمای بیشتری دارد زیرا فلز، گرما را سریعتر از چوب منتقل کرده و آن را به دست شما انتقال داده است.
سه مسیر اصلی سفر گرما
گرما میتواند از سه روش متفاوت انتقال یابد. شناخت این روشها به ما در طراحی وسایل گرمایشی، عایقبندی ساختمانها و حتی پوشیدن لباس مناسب کمک میکند.
| روش انتقال | نحوه کار | نیاز به ماده؟ | مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| رسانش6 (هدایت) | انتقال انرژی از طریق تماس مستقیم و برخورد مولکولها. ذرات پرانرژی، انرژی خود را به ذرات مجاور کمانرژیتر منتقل میکنند. | بله (جامدات بهترند) | داغ شدن دسته قابلمه فلزی، احساس سرما هنگام لمس کاشی کف در زمستان. |
| همرفت7 (جابجایی) | انتقال گرما توسط حرکت تودهای خود ماده (مایع یا گاز). بخش گرمتر که چگالی کمتری دارد بالا میرود و بخش سردتر جایگزین آن میشود. | بله (مایعات و گازها) | جریان آب در سماور، گرم شدن اتاق توسط شوفاژ، تشکیل بادها. |
| تشعشع8 (تابش) | انتقال انرژی توسط امواج الکترومغناطیسی (مانند نور مادون قرمز). این امواج در خلا نیز حرکت میکنند. | خیر | گرمای خورشید که به زمین میرسد، گرم شدن کنار آتش یا بخاری برقی. |
گرما در عمل: از آشپزخانه تا صنعت
درک انتقال گرما به ما امکان کنترل و بهینهسازی آن را میدهد. یک مهندس با انتخاب مواد مناسب، میتواند وسیلهای بسازد که گرما را سریع منتقل کند (مانند رادیاتور) یا برعکس، از انتقال آن جلوگیری کند (مانند فلاسک).
نمونهای کاربردی: یک فلاسک (ترموس) برای نگهداری دمای نوشیدنیها طراحی شده است. طراحان آن از هر سه روش انتقال گرما جلوگیری کردهاند:
- رسانش: فضای بین دیوارههای شیشهای فلاسک خلا است. در خلا تقریباً هیچ مولکولی برای انتقال گرما از طریق برخورد وجود ندارد.
- همرفت: خلا داخل دیوارهها مانع از تشکیل جریان همرفتی میشود.
- تشعشع: سطوح آینهای داخل فلاسک، امواج گرمایی را به سمت داخل منعکس میکنند و از هدر رفتن انرژی به صورت تابش جلوگیری میکنند.
مثال دیگر، سیستم گرمایش مرکزی ساختمان است. آب در دیگ گرم میشود (رسانش از شعله)، سپس توسط پمپ در لولهها به گردش درمیآید (همرفت اجباری) و گرمای خود را از طریق رادیاتورها به هوای اتاق میدهد (همرفت طبیعی و تشعشع).
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: بله، همه مواد به دلیل حرکت ذرات خود، مقداری انرژی گرمایی داخلی دارند. حتی جسمی که بسیار سرد به نظر میرسد، مانند یخ در دمای -۱۰ °C، ذراتی دارد که در حال لرزش هستند. اما نکته کلیدی اینجاست که ما معمولاً وقتی از «گرما» حرف میزنیم، منظورمان «انتقال انرژی گرمایی» است. یخ وقتی با دست ما تماس پیدا میکند، در واقع گرما از دست ما (جسم گرمتر) به یخ (جسم سردتر) منتقل میشود و ما آن را به عنوان حس سرما تفسیر میکنیم.
پاسخ: این تفاوت به دلیل ظرفیت گرمایی ویژه و رسانندگی گرمایی متفاوت مواد است. فلز (مانند آهن) رسانای بهتری است؛ وقتی آن را لمس میکنید، گرما با سرعت بسیار بیشتری از کل بدنه به نوک انگشتان شما منتقل میشود. همچنین، فلز ممکن است با جذب انرژی خورشیدی، دمای سطحی بالاتری نسبت به شیشه پیدا کند. بنابراین حس گرمای بیشتری ایجاد میکند، حتی اگر در ابتدا دمای هوای اطراف هر دو یکسان باشد.
پاسخ: بله، اما فقط از طریق تشعشع. در خلأ، چون مادهای وجود ندارد، رسانش و همرفت امکانپذیر نیستند. به همین دلیل است که گرمای خورشید از طریق امواج الکترومغناطیسی و به شکل تابش، مسافت بسیار طولانی خلأ فضا را طی میکند تا به زمین برسد. همچنین، اگر یک فضانورد در معرض مستقیم نور خورشید قرار گیرد، طرف رو به خورشیدش بسیار داغ و طرف پشت به خورشیدش بسیار سرد میشود.
پاورقی
1 انرژی (Energy): قابلیت انجام کار.
2 ظرفیت گرمایی ویژه (Specific Heat Capacity): مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک کیلوگرم از یک ماده به اندازه یک درجه سلسیوس. واحد آن J/(kg·°C) است.
3 انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژی ناشی از حرکت.
4 تعادل گرمایی (Thermal Equilibrium): وضعیتی که در آن دو جسم در تماس گرمایی، تبادل خالص انرژی ندارند و دمای یکسانی دارند.
5 ژول (Joule): واحد استاندارد کار و انرژی.
6 رسانش (Conduction).
7 همرفت (Convection).
8 تشعشع (Radiation).
