گرما(Heat)

مقدمه اي بر گرما
 

گرما، انرژي اي است که مولکول ها به علت حرکتشان دارند. از آنجا که همه ي جامدات، مايعات و گازها داراي مولکول هايي هستند در حال حرکتند، همه ي اين چنين موادي داراي گرما هستند. در سراسر جهان، انرژي گرما از يک ماده يا جسم دائما به يک ماده يا جسم ديگر منتقل مي شود و در همه ي انواع تبديل هاي انرژي، در حال ايجاد شدن يا گسترش يافتن است. گرما در هر رخداد فيزيکي نقشي بر عهده دارد، از انفجار يک ستاره گرفته تا رشد يک جوانه ي چمن.
همه ي موجودات زنده ميزان مناسبي از گرما نياز دارند. گرماي بيش از حد يا کمتر از اندازه مي تواند حيات را نابود کند. گرما بوسيله ي بخار کردن آب و تبديل آن به ابرهاي باراني و انتشار بوسيله ي باد موجب تغييرات در آب و هوا مي شود. انسان ها ياد گرفته اند که انرژي گرما را براي اهداف خود تحت کنترل درآورند. گرما براي آماده کردن غذا، دلپذير ساختن محيط خانه ها در زمستان به کار انداختن موتورها و اجراي فرآيندهاي صنعتي استفاده مي شود.

منابع گرما
منابع گرمايي که به آساني براي نيازهاي انسان به کار مي روند عبارتند از: پرتوهاي خورشيد و سوخت هاي طبيعي همانند: چوب، زغال سنگ و نفت. گرماي دروني زمين انرژي گرمايي قابل استفاده اي به آب هاي چشمه هاي آب گرم تحويل مي دهد. غذا، گرما و انرژي لازم براي رشد و کار را براي بدن انسان تأمين مي کند. علاوه بر اين، راه هايي نيز براي گرفتن گرما از نيروي برق آبي، فرآيندهاي شيمايي و شکافت اتم يافت شده است.
 

ترموديناميک و قانون هاي آن:
 

مطالعه ي فرآيندهاي گرما علم ترموديناميک ناميده مي شود. فرآيندهايي که مورد بررسي قرار مي گيرند شامل تأثيرات گرما بر حالت هاي مختلف ماده و راه هايي که در آن ها گرما با ديگر فرم هاي انرژي مرتبط است، مي شود. همه ي فرآيندهاي گرمايي با قوانين اساسي ترموديناميک مطابقت دارند.

قانون اول ترموديناميک
 

قانون اول ترموديناميک مي گويد که در فرآيندهاي تبديل گرما به ديگر فرم هاي انرژي و برعکس، انرژي نه از بين مي رود و نه توليد مي شود.

قانون دوم ترموديناميک
 

قانون دوم ترموديناميک مي گويد که انتقال گرما از يک جسم به جسم ديگر به صورت طبيعي و مداوم از جسم گرمتر به جسم سردتر صورت مي گيرد.

گرما و دما
 

انرژي گرمايي در موادي که مولکول هايشان با سرعت زياد و به شدت بي نظم حرکت مي کنند خيلي زياد است. وقتي چنين ماده اي ميزاني از گرمايش را به ماده ديگر بدهد، مولکولهايش هيجان (حرکت کمتري) خواهند داشت. وقتي چنين چيزي رخ دهد گفته مي شود که گرما از يک ماده به ماده ي ديگر (يا از يک جسم به جسم ديگر) جاري شده است. انتقال انرژي بوسيله تغيير در دما نشان داده مي شود. بنابراين دما دقيقا همانند گرما نيست. اگر چه اين دو لغت اغلب به جاي هم به کار مي روند. دما را مي توان به صورت درجه اي براي شدت گرمي يا سردي تعريف کرد. اما لغت هاي گرمي و سردي عباراتي نسبي هستند. به طور مثال ؛ يک شعله در مقايسه با يخ داغ محسوب مي شود. ولي در مقايسه با خورشيد سرد است. اما چنين تعريفي از دما مبهم و غير علمي است. اگر چه درک درستي از اين که دما مقياسي شدتي نسبي است تاکيفي را مي رساند. يک تعريف تخصصي تر چنين است: دما توانايي يک جسم براي دادن گرما به جسم ديگر است.
هم چنان که گرما از يک جسم به جسم ديگر جاري مي شود جسم گرم سردتر مي شود و جسم سرد، گرم تر. جسم گرم توانايي بيشتري براي انتقال گرما دارد و بنابراين دمايي بالاتر دارد. پس از يک بازه ي زماني ممکن است دو جسم به شرايط تعادل گرمايي يا توازن شدت گرمايي دست يابند. در اين هنگام جريان گرما متوقف خواهد شد. در نقطه ي تعادل مي توان گفت که دو جسم داراي دماي يکسان هستند.

اندازه گيري دما
 

دما توسط وسايلي که ترمومتر يا دماسنج نام دارند اندازه گيري مي شوند. چندين مقياس دمايي براي مرتبط ساختن گرمي و سردي اجسام با دماهاي ثابت نظير نقطه ي انجماد و نقطه ي جوش آب، ابداع شده است. در بيشتر مقياس هاي دمايي واحد دما درجه ناميده مي شود. مقياس کلوين يک استثناد است که واحد دماي آن کلوين ناميده مي شود.
مقياس هاي فارنهايت، سلسيوس (سانتي گراد) و رامور در حيطه ي دماهايي که براي راحتي انسان، تجارب آزمايشگاهي و فرآيندهاي صنعتي مهم هستند، مورد استفاده قرار مي گيرد.
مقياس هاي رانکين و کلوين بر اساس مفهوم صفر مطلق شکل گرفته اند. همه ي دماهايي که در اين مقياس خوانده مي شوند. اعداد مثبت هستند. مقياس کلوين به طور گسترده اي در کارهاي علمي مورد استفاده قرار مي گيرند. مقياس رانکين عمدتاً توسط مهندسان آمريکايي و انگليسي مورد استفاده قرار مي گيرند.
صفر مطلق: آزمايش ها نشان داده است که هر يک درجه افزايش يا کاهش در دماي يک گاز موجب افزايش يا کاهش فشار آن با نرخ ثابت يک تقسيم بر 273/15 مي شود. اين نرخ ثابت افزايش يا کاهش فشار، به اندازه ي يک تقسيم بر 273/15 در دماي صفر درجه سانتي گراد است. اين بدان معناست که در دماي 273/15 درجه سانتي گراد، يک گاز ايده آل ( از لحاظ تئوري) هيچ گونه فشاري اعمال نخواهد کرد.
از آنجا که آزمايش هاي انجام شده با گازهاي واقعي رابطه ي واضحي با فشار و دما نشان داده اند، فشار صفر نشان خواهد داد که گاز ايده آل تمام توانايي خود را براي از دست دادن گرما، از دست داده است. ملکول هاي آن مطلقاً بدون حرکت هستند. چنين چيزي غيرممکن است ملکول ها هميشه تا حدي دچار هيجان و حرکت هستند. و بنابراين مفهوم صفر مطلق يک مفهوم نظري باقي مي ماند. اما اين مفهوم، مفهوم مفيدي است چرا که نقطه ي مرجعي را به ما مي دهد که اگر همه ي اندازه گيري هاي دما به آن رجوع داده شوند اعداد مثبتي خواهيم داشت.
اين مفهوم که صفر مطلق هرگز قابل دسترسي نيست بعضي مواقع آن قدر مهم است که از آن به عنوان قانون سوم ترموديناميک ياد مي شود. دانشمندان تاکنون موفق شده اند که مواد را تا دماي کمي بيشتر از صفر مطلق سرد کنند. علم مطالعه ي رفتار مواد در دماهاي خيلي پايين برودت شناسي ناميده مي شود.

دماهاي بالا:
 

صفر مطلق حد پاييني دما محسوب مي شود. ولي هيچ حدي براي دماهاي بالا وجود ندارد. داغ ترين موادي که تاکنون شناخته شده اند، گازهاي يونيزه شده در ستارگان مشخصي هستند که دماي آن ها به يک ميليارد درجه ي سانتي گراد يا بالاتر مي رسد.

سنجش گرما:
 

گرمايي که در طي يک فرايند شيميايي يا فيزيکي، آزاد يا جذب مي شود مي تواند توسط وسيله اي به نام گرماسنج اندازه گيري شود. واحدهاي رايج مورد استفاده براي اندازه گيري گرما، کالري و واحد بريتانيايي گرما (BTU) هستند.
هم چنين گرما با واحدهاي ديگري همانند ژول (واحد انرژي در سيستم SIيا متريک) اندازه گيري مي شود.
گرما چگونه جا به جا مي شود؟
گرما توسط رسانش، همرفت يا تشعشع و يا ترکيبي از اين سه روش جا به جا مي شوند.

رسانش:
 

همان طور که مولکول ها به اطراف حرکت مي کنند، به طور مداوم به يکديگر ضربه مي زنند. با توجه به قانون دوم ترموديناميک مولکول هايي که سرعت بيشتري دارند ( داغ تر هستند) مقداري از انرژي گرمايي خود را به مولکول هاي کم سرعت تر (سردتر) مي دهند. (در زماني که برخورد صورت مي گيرد) پس از آن مولکول هايي که به تارگي گرم شده اند مي توانند مقداري از گرما را به مولکول هايي که گرماي کمتري دارند بدهند.
اين فرآيند به همين ترتيب از داغ ترين مولکول ها ادامه مي يابد. با توجه به اين مفهوم، گرما از قسمت گرم به قسم سرد يک ماده يا به جسم سردي که با جسم گرمي در تماس است رسانش (هدايت) مي شود.
مواد از لحاظ توانايي رسانش گرما با همديگر تفاوت دارند. آب و هوا رسانش کنندگان نسبتاً ضعيفي هستند. بيشتر فلزات گرما را سريعاً منتقل مي کنند. پنبه ي نسوز آن قدر رسانش گرمايي ضعيفي دارد که به عنوان يک عايق گرمايي استفاده مي شود.

همرفت:
 

هنگامي که يک سيال (مايع يا گاز) گرم مي شود، نزديک ترين قسمت سيال به منبع گرما، همان طور که انرژي مي گيرد، منبسط مي شود. در حين منبسط شدن، اين قسمت از سيال داراي چگالي کمتر مي شود. (سبک تر مي شود) و توسط قسمت هاي سردتر و سنگين تر اطراف خودش به سمت بالا هل داده مي شود. اين جا به جايي قسمت هاي سردتر را به منبع گرما نزديک تر مي کند. و اين قسمت ها در ادامه انرژي مي گيرند، سبک تر مي شوند و به طرف بالا هل داده مي شوند. حرکت ها يا جريان هاي حاصله (جريان هاي همرفتي)، گرما را از منبع به سراسر سيال توزيع مي کنند.
گرما تا زماني که اختلاف دمايي در سيال وجود دارد به حرکت خود از طريق همرفت ادامه مي دهد. نمونه هاي همرفت عبارتند از حرکت هواي گرم در يک اتاق و گردش آب در کتري قرار داده شده بر روي آتش.

تشعشع (تابش)
 

همه ي اجسام دائماً از طريق پرتوها انرژي از دست مي دهند. پرتوها مي توانند ترکيبي از ذرات يا امواج باشند. پرتوهاي گرمايي که تشعشع (تابش مادون قرمز) ناميده مي شوند، امواج الکترومغناطيسي هستند که شبيه امواج سبک هستند؛ اما تا حدي طول موج بلندتري دارند.
يک جسم پرتوهاي گرمايي را در نتيجه ي ارتعاش مولکولي هايش منتشر مي کند. همين که پرتوها منتشر شدند مولکول ها مقداري از انرژي شان را از دست مي دهند. وقتي که جسم ديگري پرتوها را جذب کند، مولکول هايش تحريک شده تر مي شوند و بدين ترتيب جسم انرژي گرمايي دريافت مي کند. پرتوهاي گرما مي توانند در خلأ هم منتشر شوند. به طور مثال تابش هاي مادون قرمز خورشيد در فضا، حرکت مي کنند تا به زمين برسند.
ميزان تابشي که يک جسم جذب مي کند بسته به نوع سطح آن و ماده اي که از آن ساخته شده است متفاوت است به طور کلي موادي که داراي سطح تيره يا زبر هستند تشعشع مادون قرمز بيشتري نسبت موادي که سطح صيقلي يا روشني دارند، جذب مي کنند:

چگونه مواد بوسيله ي گرما تغيير پيدا مي کنند:
اصلي ترين تغييراتي که مواد پس از گرم شدن متحمل مي شوند، عبارتند از: افزايش دما، تغيير حالت و انبساط. هر کدام از اين تغييرات بستگي به خصوصياتي دارد که از هر ماده به ماده ي ديگر متفاوت است. نرخ تغيير دما بستگي به گرماي ويژه ي ماده دارد. تغيير حالت (از جامد به مايع يا از مايع به گاز) تنها زماني رخ مي دهد که گرما به ميزان گرماي نهان برسد. انبساط جامدات و مايعات بر طبق ضريب انبساط ماده رخ مي دهد.
 

گرماي ويژه:
 

ميزان گرماي لازم براي بالا بردن دماي واحد جرم يک ماده به ميزان مشخص گرماي ويژه ي آن ماده نام دارد. گرماي ويژه نسبت به گرماي ويژه آب سنجيده مي شود. که گرماي ويژه آب يک تعريف شده است.

گرماي نهان:
 

ميزان انرژي گرمايي است که بايد به ميزان مشخصي از ماده داده شود يا از آن گرفته شود تا تغيير حالت کامل بدهد. وقتي که گرماي نهان دريافت يا آزاد شد دماي ماده ثابت مي ماند. معمولاً گرماي نهان بر اساس نوع تغييري که انجام مي گيرد بيان مي شود. (مثلاً گرماي نهان تبخير يا ذوب)
گرماي ذوب، گرماي نهان لازم براي تغيير حالت يک ماده از جامد به مايع است. اين تغيير ذوب ناميده مي شود.
گرماي تبخير: گرماي نهان لازم براي تغيير حالت ماده از مايع به گاز (بخار) است. اين تغيير جوشش ناميده مي شود اگر بخار از درون مايع شکل گيرد و اگر بخار فقط از سطح مايع شکل گيرد اين تغيير تبخير ناميده مي شود.
گرماي تصعيد: در فشار يک اتمسفر برخي مواد هنگامي که گرما مي گيرد مستقيما از جامد به گاز تبديل مي شوند. اين تغيير حالت تصعيد ناميده مي شود و گرماي نهان لازم براي آن گرماي تصعيد ناميده مي شود.
گرماي ميعان: گرماي نهاني است که ماده هنگامي که از گاز به مايع تبديل مي شود آزاد مي کند. اين تغيير برخي موارد تقطير ناميده مي شود. براي هر نوع ماده گرماي ميعان برابر گرماي تبخير است.
گرماي انجماد گرماي نهاني است که ماده هنگامي که از مايع به جامد تبديل مي شود آزاد مي کند يا براي موادي که تصعيد مي شوند، گرمايي است که ماده در هنگام تبديل از گاز به جامد آزاد مي کند. در مورد اول يعني تبديل مايع به جامد گرماي انجماد برابر گرماي ذوب است و اين تغيير معمولا يخ زدن (در زبان فارسي همان انجماد) ناميده مي شود. در مورد دوم يعني تبديل گاز به جامد گرماي انجماد برابر گرماي تصعيد است.

انبساط:
 

هنگامي که يک ماده انرژي گرمايي مي گيرد. مولکول هاي آن از هم فاصله ي بيشتري مي گيرند که موجب مي شود ماده فضاي بيشتري اشغال کند. اين تغيير اندازه را انبساط مي نامند. جامدات و مايعات همانند هم منبسط مي شوند. گازها قانون هاي متفاوتي دارند.

گرما و فشار:
 

فشار نيروي وارد بر واحد سطح از طرف محيط مي باشد. در گازها اهميت اثر فشار بر انبساط به اندازه ي گرماست (فشار اثر ناچيزي بر انبساط جامدات و مايعات دارد.) همه گازها وقتي گرم مي شوند تقريبا با آهنگ يکساني منبسط مي شوند به شرط آن که فشار وارده بر گاز تغيير نکند اما اگر فشار وارد بر گاز آهنگ انبساط هم متفاوت خواهد بود.
افزايش فشار هم نقطه ي ذوب اکثر جامدات و هم نقطه ي جوش اکثر مايعات را بالا مي برد. در اينجا استثناء ها عبارتند از: يخ، بيسموت و چدن، اين ها موادي هستند که وقتي سرد مي شوند خاصيت انبساطي غيرعادي دارند. نقطه ي ذوب آن ها (و نه نقطه ي جوش آن ها ) بواسطه ي فشار پايين مي آيد.

تغييرات انرژي و گرما:
 

گرما و ديگر انواع انرژي مي تواند از نوعي به نوع ديگر تبديل شوند. گرماي لازم براي فرآيندهاي صنعتي، آسايش انسان و بسياري ديگر از موارد لازم از طريق تبديل انرژي هاي شيميايي، الکتريکي و هسته اي به انرژي گرمايي بدست مي آيند. موتورهاي بخار، موتورهاي بنزيني و برخي ديگر از تجهيزات مشخص امکان تبديل انرژي گرمايي به انرژي مکانيکي جهت انجام کار را فراهم مي کنند. در هنگام تبديل انرژي از يک نوع به نوع ديگر يا در هنگام استفاده از انرژي براي توليد کار هميشه مقداري از انرژي به صورت گرما از دست مي رود. به طور مثال يک موتور الکتريکي مقداري از انرژي خود را به علت اصطکاک در ياتاقان ها و مقاومت هاي الکتريکي در سيم هايش از دست مي دهد. انرژي که به صورت گرما به محيط اطراف نشت مي کند نمي تواند براي توليد کار مورد استفاده قرار گيرد. دانشمندان ميزان انرژي گرمايي در دسترس براي انجام کار و ميزان گرمايي که در هنگام تبديل انرژي از دست مي رود را بر اساس کميتي به نام آنتروپي تعريف مي کنند.

تبديل انرژي مکانيکي:
 

گرما توسط فرآيندهاي ترموديناميکي زير به انرژي مکانيکي تبديل مي شود.
1- گرما ماده را مجبور به انبساط مي کند. به طور مثال آب به بخار تبديل مي شود.
2- ماده ي منبسط شونده بر روي جسمي فشار وارد مي کند مثل پيستون يا چرخ.
3- آن جسم حرکت مي کند.
گرما با غلبه بر پايداري جسم کار انجام داده است و جسم (پيستون يا چرخ) انرژي مکانيکي کسب کرده است (انرژي که با حرکت ماده در ارتباط است) ميزان کار مکانيکي که بوسيله ي گرماي داده شده قابل انجام است معادل مکانيکي گرما نام دارد.
به محضي که يک پيستون يا چرخ بوسيله ي فشار بخار راه انداخته شد، مي تواند با انتقال حرکت به جسمي ديگر کار انجام دهد. يک موتور گرمايي وسيله اي است براي تبديل گرما به انرژي مکانيکي جهت انجام کار. مثال هاي موتورهاي گرمايي عبارتند از: توربين هاي بخاري که براي توليد برق استفاده مي شوند، موتور احتراق داخلي يک اتومبيل و موتور جت يک هواپيما.
انرژي مکانيکي مي تواند براي گرفتن انرژي گرمايي از يک جسم به کار رود به طوري که آن جسم از محيط اطرافش سردتر شود. از انرژي مکانيکي در دستگاه هاي تهويه ي مطبوع و يخچال ها بدين صورت استفاده مي شود. يک پمپ گرمايي وسيله اي مکانيکي است که هم مي تواند انرژي گرمايي را از چيزي بگيرد و يا به آن بدهد.

تبديل انرژي شيميايي
 

انرژي شيميايي (نوعي از انرژي که در غذاها و سوخت ها يافت مي شود) بوسيله ي احتراق (سوزاندن) به انرژي گرمايي تبديل مي شود. يک شعله و گرماي بدن انسان مثال هايي از گرماي مفيدي است که توسط انرژي شيميايي بدست آمده است.

تبديل انرژي الکتريکي
 

هنگامي که يک جريان الکتريکي با ماده اي مقاوم روبرو مي شود مقداري از الکتريسته به گرما تبديل مي شود. اين نوع از تبديل انرژي در يک دستگاه جوش کاري قوس الکتريکي و سيم پيچ هاي يک بخاري (هيتر) برقي يا خوراک پز برقي انجام مي شود.
تحت يک شرايط خاص گرما مي تواند به الکتريسته تبديل شود. همانند ترموکوپل که وسيله اي براي اندازه گيري دماست.
تبديل انرژي هسته اي يا اتمي.
انرژي هسته اي تحت دو فرآيند همجوشي و شکافت هسته اي به گرما و ديگر انواع انرژي تبديل مي شود. در يک راکتور توليد برق تبديل انرژي هسته اي به گرما به دقت کنترل مي شود و براي توليد بخار جهت توليد برق استفاده مي شود. هنگامي که يک سلاح اتمي منفجر مي شود مقدار زيادي از انرژي هسته اي با سرعت زياد به گرما تبديل مي شود که موجب انفجار عظيمي مي گردد.

تاريخ مطالعه ي گرما
 

چيني ها فيلسوف هاي يونان باستان معتقد بودند که آتش در کنار هوا، آب و خاک چهار عنصر هستند. اين نظريه موجب اين تفکر شد که آتش و هر چيز داغ ديگر داراي ماده اي است که سيال کالريايي ناميده مي شود و به صورت نامرئي از يک جسم به جسم ديگر جريان مي يابد. در سال 1798 کانت رام فور نشان داد که گرما يک ماده نيست اما نوعي از انرژي است. جيمز ژول زندگي اش را وقف مطالعه گرما کرد و کشف هاي مهم بسيار کرد.
در سال 1900 ماکس پلانک نظريه ي کوانتوم انتقال انرژي را معرفي کرد، نظريه اي که در کنار ديگر چيزها توضيح مي دهد که چرا مواد در نزديکي صفر مطلق هم چنان داراي مقداري انرژي هستند. در دهه ي 1930 اِنري کوفرمي و ديگران مطالعاتي در مورد تشعشع انجام دادند که منجر به کنترل واکنش هاي هسته اي شد.امروزه فيزيک دان ها در حال بررسي پديده ها در کرانه هاي دما هستند. رفتار مواد در دماهاي بسيار پايين و پلاسماها (
گازهاي يونيزه شده اي که در دماهاي چند ميليون درجه اي شکل مي گيرند)
منبع: How stuff works.com