درسنامه آموزشی علوم تجربی کلاس هفتم

دمای محیط چنان اهمیتی دارد که هرگونه حیاتی کاملاً به آن وابسته است. دو سیارهٔ نزدیک به زمین، یعنی ناهید (زهره) و بهرام (مریخ) را در نظر بگیرید. دمای زهره چنان زیاد است که اگر دمای زمین به آن مقدار برسد، حتی برخی از فلزها در آن ذوب می‌شوند. مریخ نیز چنان سرد است که همه چیز روی آن یخ می‌زند. جست‌وجوی حیات روی سیارهٔ دیگر، بر اساس وجود آب در حالت مایع در آن سیاره، انجام می‌شود. در صورتی آب به حالت مایع وجود خواهد داشت که دمای محیط مناسب باشد.

در این فصل، نخست با مفهوم دما و دماسنجی و سپس با گرما، روش‌های انتقال آن و عایق‌بندی گرمایی آشنا می‌شویم.

دما

دمای محیطی که در آن زندگی می‌کنیم و وسیله‌هایی که روزانه با سر و کار داریم، معمولاً تأثیر زیادی بر کار و فعّالیت ما دارد. مثلاً در زمستان برای گرم کردن خانه، مدرسه یا محل کار، همچنین در تابستان برای خنک کردن این محیط‌ها، کارهای زیادی انجام می‌دهیم؛ حتی پوشش ما نیز بسته به فصل‌های سال تغییر می‌کند.

(برای گرم کردن یا سرد کردن خانه و مدرسه از وسایل مختلفی استفاده می‌شود.)

گیاهان و جانوران نیز تحت تأثیر محیطی‌ هستند که در آن زندگی می‌کنند؛ به همین دلیل است که شکل گیاهان و جانوران مشابه در منطقه‌های سردسیری تفاوت دارد.

هر چه جسمی گرم‌تر باشد، دمای آن بیشتر است؛ مثلاً دمای یک فنجان چای داغ بیشتر از دمای یک فنجان آب خنک است. با استفاده از حس لامسهٔ خود تشخیص می‌دهیم چه جسمی داغ و چه جسمی سرد است؛ اما نمی‌توانیم به‌طور دقیق، مقدار گرمی و سردی آن‌ها را مشخص کنیم. وقتی می‌خواهیم ببینیم فردی تب دارد یا نه، معمولاً دست خود را روی پیشانی او می‌گذاریم و با مقایسهٔ دمای بدن او با دمای بدنمان تشخیص می‌دهیم که تب دارد یا خیر. حتی اگر تشخیص دهیم که بیمار تب دارد، نمی‌توانیم تشخیص دهیم او چند درجه تب دارد و برای این منظور از دماسنج استفاده می‌کنیم.

دماسنج: دماسنج وسیله‌ای است که با استفاده از آن دما را اندازه می‌گیریم؛ مثلاً با استفاده از دماسنج پزشکی می‌توانیم دمای بدن فرد بیمار را با دقت اندازه‌گیری کنیم.

دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی رایج‌ترین دماسنج‌ها هستند. اگر این دماسنج‌ها را در محیط گرم قرار دهیم، جیوه یا الکل درون مخزن آن‌ها منبسط می‌شود و از لولهٔ نازک بالا می‌رود. در این حالت ارتفاع الکل رنگی یا جیوهٔ درون لوله، دمای محیط را نشان می‌دهد.

برای درجه‌بندی دماسنج‌های الکلی و جیوه‌ای، ابتدا مخزن آنها را در مخلوط آب و یخ قرار می‌دهند و سطح جیوه یا الکل را با صفر نشانه‌گذاری می‌کنند؛ سپس دماسنج را در مجاورت بخار آب در حال جوش قرار می‌دهند و سطح مایع درون دماسنج را با عدد 100 علامت‌گذاری می‌کنند. بین این دو عدد (صفر تا 100) را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کنند و هر قسمت را یک درجهٔ سلسیوس می‌نامند؛  یعنی آب در دمای صفر درجهٔ سلسیوس یخ می‌زند و در دمای 100 درجه می‌جوشد (البته در فشار یک اتمسفر که فشار هوای کنار دریاهای آزاد است.)

برای اندازه‌گیری دمای یک جسم با دماسنج الکلی یا جیوه‌ای، مخزن دماسنج را در تماس با جسم مورد نظر قرار می‌دهیم و مدتی صبر می‌کنیم تا ارتفاع مایع در لوله باریک دیگر تغییر نکند؛ آن‌گاه عددی را که مایع در آن ارتفاع قرار دارد؛ می‌خوانیم. این عدد همان دمای جسم است.

گرما

برای آشنایی با مفهوم دمای تعادل و گرما آزمایش زیر را انجام دهید.

از این آزمایش و آزمایش‌های مشابه نتیجه می‌گیریم، وقتی دو جسم با دماهای متفاوت در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، دمای جسم گرم کم، و دمای جسم سرد زیاد می‌شود. این فرایند آن قدر ادامه پیدا می‌کند تا دمای دو جسم یکسان شود. این دما را دمای تعادل دو جسم می‌نامیم و در این حالت می‌گوییم دو جسم با یکدیگر در تعادل گرمایی‌اند.

به مقدار انرژی‌ای که در اثر اختلاف دما از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود، گرما می‌گویند. در آزمایش قبل در حالتی که میخ داغ را درون آب سرد می‌اندازیم، میخ انرژی از دست می‌دهد و آب انرژی می‌گیرد؛ به عبارت دیگر میخ به آب گرما می‌دهد. گرما دادن میخ به آب تا وقتی ادامه دارد که میخ و آب هم‌دما شوند یا به دمای تعادل برسند. به‌طور طبیعی گرما همواره از جسم گرم به جسم سرد منتقل می‌شود.

وقتی ظرف غذا را روی شعلهٔ اجاق می‌گذاریم، چون شعلهٔ اجاق از ظرف گرم‌تر است، انرژی از شعله به ظرف منتقل می‌شود؛ به عبارت دیگر، شعلهٔ اجاق به ظرف غذا گرما می‌دهد.

همان‌طور که گفته شد، گرما نوعی انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو جسم در تماس باهم منتقل می‌شود؛ بنابراین یکای آن ژول است (J) است. از یکای ژول برای همۀ شکل‌های انرژی استفاده می‌کنند.

جسمی که گرم‌تر است، دمای آن بیشتر است و مولکول‌هایش جنب و جوش بیشتری دارند. یعنی انرژی مولکول‌هایش به‌طور متوسط بیشتر از جسمی است که سردتر است. در جسم سردتر، جنب و جوش مولکول‌ها کمتر است، یعنی به طور متوسط مولکول‌ها انرژی کمتری دارند(شکل بالا). وقتی ظرف آبی را روی شعله قرار می‌دهیم، انرژی داده شده به آب، سبب افزایش انرژی مولکول‌های آب می‌شود. در نتیجه جنبش مولکول‌ها افزایش می‌یابد و دمای آب هم بیشتر می‌شود.

انتقال گرما

همان‌طور که دیدیم، گرما شکلی از انرژی است؛ بنابراین مانند هر انرژی دیگری می‌تواند منتقل شود و در انتقال آن نیز همواره قانون پایستگی انرژی برقرار است. گرما به روش‌های متفاوت از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود که در اینجا به آنها می‌پردازیم.

رسانش: هرگاه یک سر میلهٔ فلزی را روی شعله قرار دهید، طولی نمی‌کشد که سر دیگر آن، که در دست شماست، آن قدر داغ می‌شود که دیگر نمی‌توانید آن را نگه دارید. گرما از سری که روی شعله قرار دارد، وارد می‌شود و آن را داغ می‌کند. با توجه به اختلاف دمای دو سر میله، گرما از سر داغ به سمت دیگر میله منتقل می‌شود. این نوع انتقال گرما را رسانش گرمایی می‌نامیم.

در رسانش گرمایی، گرمای شعله سبب می‌شود که جنبش اتم‌های میله که در تماس با شعله هستند بیشتر شود و دمای این بخش از میله نیز بیشتر شود. لحظاتی بعد، این بخش از میلهٔ گرم شده به بخش کناری‌اش که هنوز سرد است انرژی می‌دهد و بخش کناری را گرم می‌کند. به این ترتیب در مدت زمان کوتاهی کل میله گرم می‌شود.

به موادی مانند شیشه، چوب، لاستیک، هوا، پشم، چوب پنبه و... که گرما را بسیار آهسته منتقل می‌کنند، نارسانا یا عایق گرما می‌گویند و به موادی مانند انواع فلزها که گرما را بسیار سریع منتقل می‌کنند، رسانای گرما می‌گویند.

آزمایش نشان می‌دهد برخی از فلزها نسبت به فلزهای دیگر رسانای بهتری برای گرما هستند. پشم شیشه و فایبرگلاس به علت داشتن هوای محبوس نارسانای خوب به شمار می‌روند.

همرفت: آیا تاکنون آب در حال جوش را در یک ظرف مشاهده کرده‌اید؟ حباب‌ها ته ظرف تشکیل می‌شوند و به سمت بالا حرکت می‌کنند. با حرکت آب داغ از ته ظرف به سمت بالا، آب سرد بالای ظرف به سمت پایین حرکت می‌کند. در واقع آب با جابه‌جا شدن، گرما را منتقل می‌کند (شکل زیر). به این روش انتقال گرما، همرفت می‌گویند. در انتقال گرما به روش همرفت قسمتی از مایع یا گاز که گرم شده است به طرف بالا حرکت می‌کند و قسمت‌های اطراف آن، که سردترند، جای آن را می‌گیرند. اگرچه برای توضیح پدیدهٔ همرفت، از فرایند جوشیدن کمک گرفتیم، ولی همرفت در دماهای پایین‌تر از دمای جوش نیز رخ می‌دهد.

جریان‌های همرفتی در هوا نیز رخ می‌دهند. جریان همرفتی در هوا به صورت باد مشاهده می‌شود. مثلاً در طول روز، ساحل دریا (خشکی) زودتر از آب دریا گرم می‌شود و دمای آن از دمای آب بالاتر می‌رود. هوای روی ساحل گرم می‌شود و به طرف بالا می‌رود. در نتیجه هوای خنک بالای آب به‌طرف ساحل می‌آید و حاصل این فرایند نسیم دریاست. (شکل زیر).

تابش: منشأ بیشتر انرژی‌های روی زمین انرژی دریافتی از خورشید است. انرژی تابشی خورشید سطح زمین را گرم می‌کند و انرژی مورد نیاز گیاهان، جانوران و... را تأمین می‌کند. آیا می‌دانید این انرژی چگونه به زمین می‌رسد؟ آیا این انرژی با فرایند رسانش به زمین می‌رسد؟ آیا ممکن است این انرژی به صورت همرفت به زمین رسیده باشد؟

همان‌طور که دیدیم برای انتقال گرما به روش همرفت و رسانش به محیط مادی نیاز است؛ ولی انرژی تابش یافته از خورشید از خلأ عبور می‌کند و به ما می‌رسد و ما را گرم می‌کند. این نوع انتقال انرژی، تابش گرمایی نامیده می‌شود.

همهٔ جسم‌ها بخشی از انرژی خود را به صورت تابش منتشر کنند؛ اما جسم‌های گرم‌تر، انرژی تابشی بیشتری منتشر می‌کنند؛ مثلاً سطح خورشید که دمای بالایی دارد، انرژی تابشی زیادی گسیل می‌کند.

وقتی در یک روز آفتابی در حال پیاده‌روی هستید، پرتوهای خورشید به شما برخورد می‌کنند. قسمتی از پرتوها را بدن شما جذب می‌کند و شما گرم‌تر می‌شوید و قسمتی از پرتوها بازتابش می‌کنند.

شکل زیر یک بخاری برقی استوانه‌ای را نشان می‌دهد که بین دو ورقه فلزی قرارداده شده است. سطح یکی از ورقه‌ها صیقلی و براق و سطح دیگری سیاه و مات است. به طرف دیگر هر ورقه با موم یا پارافین جامد، یک چوب پنبه چسبانده شده است.

وقتی بخاری برقی را روشن کنیم، چوب پنبهٔ پشت ورقهٔ فلزی سطح سیاه، زودتر می‌افتد. با انجام این آزمایش و آزمایش‌های مشابه می‌توان نتیجه گرفت که: جسم‌های تیره و ناهموار انرژی تابشی بیشتری را جذب می‌کنند و جسم‌های با سطح صاف و براق مقدار کمتری از انرژی تابشی را جذب، و بیشتر آن را بازتابش می‌کنند.

فناوری و کاربرد

موتور خودرو: اگر دمای خیلی از چیزها را واپایش (کنترل) نکنیم، ممکن است خراب شوند؛ مثلاً اگر دمای موتور خودرو خیلی بالا رود، موتور آسیب جدی می‌بیند و حتی ممکن است بسوزد. برای جلوگیری از این اتفاق، سامانهٔ خنک کنندهٔ خودرو طراحی و ساخته شده است تا انرژی گرمایی موتور را به رادیاتور منتقل کند. رادیاتورها از جنس فلز، تیره رنگ و با سطح بزرگ ساخته می‌شوند. این طراحی سبب انتقال خیلی خوب گرما از موتور خودرو به هوای بیرون به هر
سه روش رسانش، همرفت و تابش خواهد شد. علاوه بر این، خودروها پنکه‌های (فن) خنک‌کننده نیز دارند. هنگامی که موتور داغ شود، پنکه‌ها روشن می‌شوند و سبب دور شدن هوای داغ اطراف رادیاتور می‌گردند.

کاهش اتلاف گرما در خانه: دمای مناسب برای داخل خانه یا محل‌های کار و مدرسه، در فصل‌های سرد بین 18 تا 21 درجه سلسیوس است. در روزهای سرد اختلاف دمای درون خانه و بیرون بسیار زیاد می‌شود.

به سبب این اختلاف دما، گرمای زیادی از هوای گرم درون خانه به هوای سرد بیرون از خانه داده می‌شود که اصطلاحاً می‌گوییم گرما تلف می‌شود و این اتلاف انرژی گرمایی هزینه زیادی را به ما تحمیل می‌کند و مجبور می‌شویم، مبلغ کلانی برای قبض‌های برق و گاز بپردازیم. برای جلوگیری از اتلاف گرمایی و نیز جلوگیری از آلودگی‌های زیست‌محیطی مربوط به آلاینده‌های ناشی از مصرف سوخت، راه‌های متفاوتی وجود دارند.

شکل زیر نشان می‌دهد که چطور می‌توان اتلاف گرما را در خانه کاهش داد و از هزینه‌های گرمایشی خانه کاست و محیط‌زیست را کمتر تخریب کرد.

دمابان (فلاسک) خلأ: اگر بخواهید به مسافرت یا تفریح بروید، نوشیدنی داغ مانند چای را چگونه گرم نگه می‌دارید؟ نوشیدنی خنک مانند آبمیوه را چگونه خنک نگه می‌دارید؟ اگر این نوشیدنی‌ها را در محفظه‌ای قرار دهید و هر سه راه انتقال گرما به آن یا از آن به بیرون را ببندید، نوشیدنی داغ یا خنک می‌ماند. دمابان‌های خلأ به این منظور ساخته شده‌اند. شکل زیر نوعی از این دمابان و اجزای تشکیل‌دهندهٔ آن را نشان می‌دهد. اصلی‌ترین جزء دمابان یک بطری شیشه‌ای دو جداره است که بین آن خلأ وجود دارد و روی سطح آن، هم از درون و هم از بیرون، نقره‌اندود است. در گروه خود دربارهٔ نقش هر قسمت از دمابان خلأ بحث کنید.