آيا دود مي فهمد از كجا بيرون برود؟

نگاهي دوباره به جريان همرفتي (كنوكسيون)
 

در دوران نوجواني در فصل زمستان به خانه يكي از اهالي روستا رفته بودم. سقف اتاق ضربي بود و روزنه اي به شعاع حدود 40 سانتي متر در سقف قرار داشت. اين روزنه را براي تابش نور خورشيد و همچنين خروج دود در سقف تعبيه مي كردند. روز آفتابي ولي سردي بود. در داخل گودالي كه در كف اتاق به عنوان اجاق قرار داشت، آتشي روشن كرده بودند. دودي كه از آتش برمي خاست با اين كه در اتاق باز بود، از روزنه سقف بيرون مي رفت و تابش نور خورشيد دود را كاملاً نمايان مي ساخت. در اين هنگام فرزند صاحبخانه كه پسربچه اي شش- هفت ساله بود: با لحني جدي رو به پدرش كرد و گفت: "بابا! اين دودها از كجا مي فهمند كه بايد از آن سوارخ بيرون بروند؟!" از اين سؤال پسر بچه همگي آن بزرگسالان، به خنده افتادند؛ به طوري كه آن طفلك كلي خجالت كشيد. حالا بعد از گذشت ده ها سال متوجه شده ام كه او آن روز چه سؤال علمي مهمي پرسيده بود و متأسفانه هيچ يك از حاضران نتوانستند جواب قانع كننده اي به او بدهند.
ولي آيا دود واقعاً مي داند از كجا بيرون برود؟ براي پاسخ به اين سؤال، بايد جريان همرفتي و علت به وجود آمدن آن را بررسي كنيم.

جريان همرفتي
 

انتقال گرما از جايي به جايي ديگر، به سه طريق صورت مي گيرد: تابشي، رسانايي (رسانش)، همرفتي (كنوكسيون). در روش تابشي، براي انتقال گرما احتياج به ماده نيست. مثلاً نور خورشيد از فاصله 150 ميليون كيلومتري، در خلأ حركت كرده و در زمين به گرما تبديل مي شود. ولي در روش رسانش بايد ماده اي وجود داشته باشد. به عنوان مثال اگر ميله اي فلزي را در دست بگيريم و سر ديگر آن را روي شعله آتش بگيريم، گرما از سر آن به دست ما منتقل مي شود. علت اين است كه اتم هاي فلز انتهاي ميله، در اثر گرماي شعله جنبش بيشتري پيدا مي كنند. سپس در اثر برخورد با اتم هاي مجاور، انرژي جنبشي را به آنها منتقل مي كنند. به همين ترتيب اين انرژي گرمايي در طول ميله منتقل شده تا اين كه به دست ما برسد.
جريان رسانش در جامدها، مايع ها و گازها روي مي دهد. ولي جريان همرفتي فقط در مايع ها و گازها، يعني در سيال ها، صورت مي پذيرد. وقتي قسمتي از يك سيال (شاره) مانند هوا گرم مي شود، جنبش مولكول هاي آن افزايش مي يابد و مولكول ها از هم فاصله مي گيرند. در نتيجه، سيال منبسط شده و چگالي آن كاهش مي يابد (سبك مي شود). هواي سبك شده به بالا صعود مي كند و هواي سرد در اطراف جاي خالي را پر مي كند. هواي گرمي كه به بالا رفته است، به مرور سرد و منقبض شده در اثر سنگين شدن دوباره پايين مي آيد. اين جريان هوا كه همان جريان همرفتي است، تا زماني كه منبع گرمايي وجود دارد، برقرار است. به عنوان مثال، وقتي يك بخاري را در اتاقي سرد روشن مي كنيم. هواي بالا و اطراف بخاري گرم شده به بالا مي رود؛ و هواي سرد از چهار گوشه اتاق به اطراف بخاري حركت مي كند. به اين طريق هواي تمام اتاق گرم مي شود.

نمايش جريان همرفتي در هوا
 

بايك آزمايش ساده مي توانيد جريان همرفتي را در هوا مشاهده كنيد. جعبه اي مقوايي مانند جعبه كفش را انتخاب كنيد و در يكي از وجوه بزرگ آن دو روزنه به شعاع حدود 4 سانتي متر ايجاد كنيد. فاصله دو روزنه از هم حدود 10 سانتي متر باشد. سپس دو قطعه مقوا را به شكل استوانه در آورده و مانند دودكش روي سوراخ ها قرار دهيد. حال شمع روشني را زير يكي از دودكش ها قرار دهيد. قطعه اي پارچه يا نخ را آتش بزنيد تا دود ايجاد كند. اگر نخ را روي استوانه اي كه شمع زير آن است بگيريد، دود بالا مي رود. ولي اگر آن را روي استوانه ديگر بگيريد، متوجه خواهيد شد كه دود به داخل جعبه كشيده مي شود. براي اين كه مسير دود را داخل جعبه مشاهده كنيد، مي توانيد جلو جعبه را ببريد و شيشه يا پلاستيك شفاف به آن بچسبانيد. (شكل 1)
با يك وسيله ساده و جالب ديگر هم مي توانيد جريان هم رفتي در هوا را تجربه كنيد. نام اين وسيله "مارپيچ چرخان" است. ابتدا روي مقواي نازك يا ورقه آلومينيومي، روي قوطي شير خشك دايره اي مارپيچي رسم كنيد و با قيچي آن را ببريد. مركز دايره را سوراخ كنيد و نخ قرقره را عبور دهيد. نخ را در دست گرفته و مارپيچ را روي بخاري روشن كنيد يا منبع گرماي ديگري آويزان كنيد. مارپيچ شروع به چرخيدن مي كند. علتش اين است كه هواي گرم و سبك شده به بالا صعود مي كند و به مارپيچ كه به صورت سطح شيبدار است برخورد مي كند و باعث دوران آن مي شود. مي توانيد روي مارپيچ را به شكل يك مار نقاشي كنيد و يك دكمه جفتي در مركز آن قرار داده، مداد نوك تيزي روي پايه اي محكم كنيد و گودي دكمه را در نوك مداد قرار دهيد. در اين صورت اسباب بازي جالبي براي كودكان فراهم كرده ايد. (شكل 2)

نمايش جريان همرفتي در آب
 

در آزمايشگاه هاي فيزيك، براي بررسي جريان همرفتي در مايع، لوله شيشه اي مستطيل شكلي وجود دارد. (شكل 3)

داخل اين لوله را از آب پر ميكنند و يك قطره جوهر يا كمي پرمنگنات داخل آب مي ريزند تاجريان به خوبي ديده شود. بعد، گوشه پايين لوله را حرارت مي دهند. آب در لوله به حركت درمي آيد. شما مي توانيد در خانه همين آزمايش را به طريق ديگري انجام دهيد. يك ظرف شيشه اي پيركس يا قابلمه بزرگي را پر از آب كنيد. سپس گوشه ظرف را روي شعله گاز قرار دهيد و قطره اي جوهر يا ماده رنگي ديگري در گوشه ظرف بريزيد. مشاهده خواهيد كرد آب از طرفي كه روي شعله است، بالا مي رود و وقتي به سطح رسيد، دوباره از طرف ديگر به ته ظرف بر مي گردد (شكل 4).

جريان همرفتي در طبيعت باد
 

حركت هوا كه باد ناميده مي شود، يك نوع جريان همرفتي هوا است. علت آن، همان اختلاف دماي هواي دو ناحيه است. گاهي مواقع، دماي ناحيه اي بنا به علل گوناگون بيشتر از هواي منطقه مجاور خود مي شود. در نتيجه، هوا منبسط شده فشار آن كاهش مي يابد. چون فشار هواي سرد مجاور بيشتر است، هوا از جاي پرفشار به جاي كم فشار جريان پيدا مي كند.
در كره زمين بادها موجب تعادل دما در نقاط مختلف مي شوند. اگر باد نمي وزيد، هواي استوا بسيار گرم و هواي مجاور قطب بسيار سردتر از حالا مي شد. هوا ي منطقه استوايي در اثر گرم شدن، منبسط شده به بالا صعود مي كند؛ و هواي سردتر از عرض هاي جغرافيايي بالاتر به سمت استوا مي وزد. اين جريان باد كه از شمال و جنوب به سمت استوا مي وزد، در اثر حركت وضعي زمين كه از غرب به شرق است، مقداري به سمت غرب منحرف مي شود. نيرويي كه باعث اين انحراف مي شود به "نيرويي كوريوليس" معروف است.
اين بادها چون در تمام فصل هاي سال مي وزند، بادهاي دائمي خوانده مي شوند. در گذشته،از اين بادهاي دائمي براي کشتي راني استفاده زيادي مي شد به طوري كه به آنها بادهاي تجاري يا "بادهاي آليزه" مي گويند.
نسيم دريا و خشكي: در ساحل دريا، هنگام روز نسيمي از سمت دريا به طرف خشكي مي وزد و در شب برعكس، اين نسيم از سمت خشكي به طرف درياست. علت اين جريان همرفتي، همان اختلاف دماي هواي روي آب و روي خشكي است. هنگام روز با تابش خورشيد؛ خشكي، زودتر از آب گرم مي شود. زيرا خشك تيره است و همچنين ظرفيت گرمايي آن از آب كمتر است. پس هواي روي خشكي گرم تر شده به بالا صعود مي كند. در نتيجه هواي سردتر بالاي آب، جاي آن را مي گيرد. به اين ترتيب نسيم سردي از دريا به ساحل مي وزد. برعكس آن در شب چون خشكي زودتر از آب گرماي خود را از دست داده و سرد مي شود. هواي روي دريا گرم تر از هواي روي خشكي است. پس هواي روي دريا منبسط شده به بالا صعود مي كند و هواي سردتر از خشكي جاي آب را پر مي كند. (شكل 5)
جريان هاي دريايي: در اقيانوس ها، حجم عظيمي از آب جريان دارد كه به جريان هاي دريايي معروف است. عامل اصلي اين جريان ها، باد است. ولي غير از اين جريان هاي افقي جريان هاي ديگري وجود دارد كه عمودي است. عامل بعضي از اين جريان هاي عمودي، اختلاف دماي آب سطحي و آب مناطق عميق تر است. به عنوان مثال، آب سطحي اقيانوس در نواحي نزديك قطب ها، در تماس با هوا سرد مي شود؛ ولي آب هاي عميق تر دماي بالاتري دارد. در نتيجه، آب سرد كه سنگين تر است، به پايين مي رود و آب گرم تر به سطح مي آيد. اين نوع جريان دريايي، بر صنعت ماهي گيري كشورهاي نزديك قطب تأثير بسيار مثبتي دارد، زيرا آب هاي سطحي با خود جلبك ها را كه غذاي پلانكتون ها را تشكيل مي دهند، به عمق مي برند؛ و ماهي ها هم از پلانكتون ها تغذيه مي كنند.

جريان همرفتي در صنعت
 

در بعضي از وسايل صنعتي، از جريان همرفتي استفاده مي شود. يكي از اين وسايل، آبگرمكن خورشيدي است. اين نوع آبگرمكن ها داراي يك يا دو صفحه جمع كننده نور خورشيد است. درون اين صفحه ها، لوله هاي مارپيچ مسي سياه رنگ قرار گرفته است و داخل آن مخلوط آب و ضد يخ قرار دارد. مايع داخل لوله ها در اثر تابش نور خورشيد گرم و منبسط مي شود. سپس در اثر سبك شدن، به بالا حركت مي كند. مخزن آب در بالا قرار دارد. لوله حاوي آب گرم به داخل مخزن رفته و درون آن دور مي زند و در اثر تماس با آب سرد، گرماي خود را به آن مي دهد و بعد از اين كه گرماي خود را از دست داد و سرد شد، دوباره منقبض و سنگين شده به پايين، يعني به داخل صفحه خورشيدي، بر مي گردد. تا زماني كه تابش نور خورشيد وجود دارد، اين جريان همرفتي در داخل لوله ها كه يك مدار بسته است، برقرار خواهد شد. اين آبگرمكن ها احتياجي به پمپ آب ندارند و همان جريان همرفتي، آب را به جريان مي اندازند.
وسيله ديگري كه در آن از جريان همرفتي استفاده مي شود، شوفاژ است.
منبع: ماهنامه دانشمند شماره 577