آموزش فصل دوم قسمت دوم

اگر برای مثال جرم آب یا مقدار افزایش دما را دو برابر کنیم. مقدار گرمای لازم دو برابر می شود. به عبارت دیگر نسبت همواره مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت را گرمای ویژه ی آب می نامیم.

مقدار گرمای لازم برای افزایش دما	=		= گرمای ویژه آب
(جرم آب )× (افزایش دما)

اگر برای مثال جرم آب یا مقدار افزایش دما را دو برابر کنیم. مقدار گرمای لازم دو برابر می شود. به عبارت دیگر نسبت همواره مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت را گرمای ویژه ی آب می نامیم.

مقدار گرمای لازم برای افزایش دما	=		= گرمای ویژه آب
(جرم آب )× (افزایش دما)

محاسبه انرژی گرمایی لازم برای ایجاد یک تغییر معین در دما :
برای آنکه دمای m کیلوگرم از جسمی با گرمای ویژه c را به اندازه ?? تغییر دهیم . Q ژول انرژی گرمایی لازم است. از تعریف گرمای ویژه داریم :

Q= mc∆θ= mc( θ₂ -θ₁ ) به عبارت دیگر

در این رابطه Q (انرژی) بر حسب ژول ، m( جرم) بر حسب کیلوگرم، C (گرمای ویژه) ‌بر حسب ژول بر کیلوگرم بردرجه سلسیوس و ∆θ (تغییر دما) بر حسب درجه ی سلسیوس است.

  رابطه (2-1) درباره جسمی که گرما از دست می دهد درست است. به این ترتیب که اگر دمای θ₂ کمتر ازθ₁ باشد(θ_{2 -} θ₁ ) منفی خواهد شد و در نتیجه θ نیز منفی می شود. علامت منفی نشان می دهد که جسم انرژی از دست داده است.

مثال :
چقدر انرژی گرمایی لازم است تا دمای 5/2 کیلوگرم مس را از°20 (سانتی گراد) به °30 (سانتی گراد ) برسانیم؟
C = 200 J/k°gc

از جدول (2-3) داریم:
در نتیجه با نشاندن اعداد بالا در رابطه (2-1) پاسخ مثال را بدست می آوریم:

Q=mc(θ_{2 -} θ₁ ) = 2/5×400×(30-20)=10000j= 10 kj مقدار انرژی لازم

فرمول ها و واژه های کلیدی، فصل 2:
1 – دما کمیت مقایسه ای است که درجه گرمی و سردی یک جسم را مشخص می کند.
2 – یک دما سنج با استفاده از نقاط ثابت دماسنجی مدرج می شود.
3 – درجه حرارت یخ خالص خرد شده در حال ذوب نقطه ای ثابت پائینی دما سنج است و درجه حرارت بخار آب در حال جوش نقطه ای ثابت بالایی دما سنج است.
4 – در دما سنج سلسیوس نقطه ی ثابت پائین صفر و نقطه ی ثابت بالا 100 می باشد.
5 – در دماسنج کلوین نقطه ی ثابت پائین 273 و نقطه ثابت بالا 373 می باشد.
6 – هر گاه بین دو جسم اختلاف دما وجود داشته باشد. جسمی که دمای بیشتری دارد گرما از دست می دهد و جسمی که دمای کمتری دارد گرما می گیرد تا هر دو جسم به یک دما برسند (دمای تعادل)
7 – اگر به یک ماده گرما بدهیم انرژی درونی آن افزایش می یابد.
8 – در رسانش گرما، انرژی گرمایی به وسیله مولکول ها، اتمها و الکترون های آزاد ماده از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود.
9 – فلزات رسانای خوب گرما هستند.
10 – آب رسانای ضعیف گرما است.
11 – هوا رسانای ضعیف گرما است
12 – مقدار گرمایی که به یکای جرم از یک ماده داده می شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس افزایش یابد از ظرفیت گرمایی ویژه ماده می گویند.

فرمول های کلیدی :

T = 273 +θ (رابطه ی دما سنج کلوین با دماسنج سلسیوس)
مساحت)×(مدت زمان)×(اختلاف دما)× (آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما) = انرژی تلف شده )
مقدارگرما Q =mc(θ_{2 -} θ₁ ) = mc∆θ

ظرفیت گرمایی ویژه C=

دمای تعادل =

تمرین های فصل 2
پاسخ دهید : فصل 2 :
1 – آیا می شود با یک دما سنج الکلی دمای جوش آب را اندازه گیری کرد؟ توضیح دهید.
نقطه جوش الکل برابر 79 درجه سانتی گراد و نقطه جوش آب برابر 100 درجه سانتی گراد است و چون نقطه ی جوش آب بالاتر از گستره ی دما سنج الکلی است. لذا نمی توان ازدما سنج الکلی برای اندازه گیری نقطه جوش آب استفاده کرد.


2 – یک لیوان آب داریم. اگر به جای یک جسم با دمای بالاف جسمی با دمای پائین تر از دمای آب را به درون آن بیندازیم، آیا تغییری در انرژی درونی آب و انرژی درونی جسم صورت خواهد گرفت ؟ انرژی از کدامیک به دیگری منتقل خواهد شد؟
همیشه گرما از جسم گرمتر به جسم سردتر ماده ی پائین شارش می یابد. در این صورت وقتی فلز سرد در داخل آب قرار می گیرد. گرما از آب به فلز شارش پیدا می کند و قسمتی از انرژی آب به فلز منتقل می شود و در پایان انرژی درونی آب کاهش و انرژی درونی فلز افزایش می یابد که اگر تبادل گرمایی با محیط نباشد ، مقدار کاهش انرژی درونی آب را برابر مقدار افزایش انرژی درونی فلز خواهد بود و هر دو هم دما خواهند شد.


3 – با مراجعه به جدول (2-2) فکر می کنید کدامیک از موارد فوق باعث بیشترین اتلاف انرژی هستند؟
شیشه ی پنجره ی تک لایه بیشترین آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازاء واحد اختلاف دما را دارد. پس در این صورت استفاده از پنجره های بزرگ با شیشه ی تک لایه و بیشترین اتلاف انرژی را خواهد داشت.

تمرین های فصل 2 :
1 – پاسخ دهید :
الف – چرا دیواره های شیشه ای مخزن دما سنج باید نازک باشد؟
زیرا شیشه رسانای خوبی برای گرما نیست و انتقال گرما در آن سرعت زیادی ندارد. در این صورت با نازک گرفتن دیواره ی شیشه ای مخزن سرعت انتقال گرمای بدن به جیوه بیشتر می شود.

ب – چرا در زمستان هنگامی که سطح آب دریاچه یخ می بندد، با افزایش ضخامت یخ، آهنگ افزایش ضخامت یخ کند می شود؟
یخ رسانای برگرماست . در این صورت هر چقدر ضخامت بیشتر می شود، گرمای آب کمتر به هوای سرد منتقل می شود و آهنگ تشکیل یخ کند می شود.


2 – پاسخ دهید :
الف) چرا موادی مانند پشم و تارهای شیشه ای عایق های گرمایی خوبی هستند؟
زیرا این مواد بسته هایی از هوا را بین تارها و منفذهای خود نگه می دارند و چون هوا رسانای ضعیف گرما است. می توان از این مواد برای عایق کاری گرما استفاده کرد.

ب) یک قطعه چوب و یک قطعه آهن هم دما را لمس کنید. چرا آهن سردتر به نظر می آید؟ آیا این به دلیل خطای لامسه است؟ توضیح دهید.
زیرا آهن رسانای خوب گرما است و وقتی به آن دست می زنیم گرمای دست ما با سرعت به آهن منتقل می شود و ما احساس سرما می کنیم. ولی چوب رسانای بر گرما است و وقتی به آن دست می زنیم، چون گرمای دست ما با سرعت بسیار کم به چوب منتقل می شود، احساس می کنیم که چوب گرم است ، در این صورت نمی توان برای تعیین دما ی یک جسم به حس لامسه ی خود اعتماد کنیم.


3 – دمای یک قطعه آلومینیوم 15 کیلوگرمی از ° 60 (سانتی گراد) ‌به ° 10 (سانتی گراد) می رسد. این قطعه ی آلومینیوم چه مقدار از انرژی درونی خود را از دست داده است؟
مقدار گرمای از دست داده برابر کاهش انرژی درونی قطعه آلومینیومی است.

انرژی درونی آلومینیوم ژول 5 10 * 75/6 کاهش می یابد.

ب – اگر 15 کیلوگرم آب از دمای ° 60 (سانتی گراد) به دمای ° 10 (سانتی گراد) برسد چه مقدار از انرژی درونی خود را از دست داده است؟
مقدار گرمایی که آب از دست می دهد، برابر کاهش انرژی درونی آب می باشد.

Q= mc(θ₂ - θ₁)
C= 4200J/Kg ْc=  = Q = 3/15 * 10"Q=15×4200(10-60)⁶ J

انرژی درونی آب (ژول) 6 10 * 15/3 کاهش می یابد.

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }

3 – گرمای ویژه آب بالاست. چند مورد استفاده برای این ویژگی را بیابید.
1) در موتور ماشین از آب به عنوان خنک کاری استفاده می شود، زیرا ظرفیت گرمایی ویژه آب بالاست و مقدار گرمای زیادی را بین موتورو رادیاتور جابجا می کند.
2) استفاده از آب در لوله کشی مخصوص گرم کردن ساختمان ها.
3) استفاده از آب در سیستم خنک کاری نیروگاهها
4) در کولرهای آبی


4 – یک آبگرمکن الکتریکی در هر ثانیه 1100 ژول انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند. این گرمکن را در درون 3 کیلوگرم آب قرار می دهیم اگر گرمکن برای 120 ثانیه روشن باشد دمای آب در هر یک از حالتهای زیر چه مقدار افزایش می یابد؟
الف) همه انرژی گرمایی گرمکن به آب داده شود.
ب) 80 درصد انرژی گرمایی به آب داده شود.


الف) توان گرمکن برابر
(J/S)
210
است ، پس :

∆θ = 10/47 ° C

ب) Q = 0/8 p * t = 0/8 *1100*120 = 105600 J

∆θ = Q/mc = 105600 / 3*4200 = 8/38 °c

5 – تجربه نشان می دهد دمای قسمتی از مین که برف روی آن است تقریباً 10 درجه سلیسوس بیشتر از دمای زمین بدون برف است.علت را توضیح دهید.
با توجه به اینکه برف رسانای ضعیف گرما است. وقتی زمین پوشیده از برف است همانند یک عایق عمل کرده و مانع از انتقال گرما از زمین به هوای سرد می گردد که در این صورت دمای زمین در این حالت بیشتر از شرایطی است که زمین بدون پوشش برف است.



تمرین های تکمیلی و پرسشهای چهار گزینه ای
تمرین های تکمیلی فصل 2 :
1 – چرا الکل در اندازه گیری دماهای پائین به جیوه ارجحیت دارد؟
1) نقطه انجماد آن پائین است و در حدود -114c می باشد.
2) انبساط آن نسبت به جیوه بیشتر است.
3) ارزان تر از جیوه است.


2 – در چه مواردی از تغییر مقاومت برای اندازه گیری دما استفاده می شود؟
در فرایندهای صنعتی اندازه گیری دما و کنترل آن بسیار مهم است و استفاده از دما سنج های مایعی برای موارد کارهای صنعتی مناسب نیستند. در دما سنج های مایعی اندازه گیری دما محدود است و از طرفی می توان دما سنج مقاومتی را طوری طراحی کرد که به کمک یک وسیله ی عقربه ای یا رقعی که مقداری دورتر از منبع قرار دارد، دما را اندازه گیری و فرایند گرمایی را کنترل کرد.


3 – چرا در خلاء گرما از طریق رسانایی منتقل نمی شود؟
زیرا رسانش گرما از طریق مولکول ها و الکترون های آزاد ماده انجام می شود و حال اینکه در شرایط خلاء، هیچ ماده ای وجود ندارد که گرما را از طریق رسانش منتقل کند.


4 – چرا لوله های آب که از زیر زمین عبور می کنند، در سرمای شدید یخ نمی زنند؟
زیرا خاک رسانای ضعیف گرما است و به هنگام سرمای شدید گرمای زمین حفظ شده و باعث گرم ماندن لوله های آب در زیر زمین می گردد، از طرفی هوا رسانای ضعیف گرما است و مقدار کمی گرما را از زمین می گیرد.


5 – اگر هوا رسانای ضعیف گرماست. در نتیجه چرا شخص نباید بدون لباس احساس گرمای بیشتری را کند؟
این مطلب درست است که هوا رسانای ضعیف گرماست، اما حرکت هوا در جریان همرفتی گرما را منتقل می کند ووقتی شخص بدون لباس است، هوای متحرک گرما را از بدنش منتقل می کند و وی احساس سردی می نماید.


6 – یک گلوله فلزی به جرم 2100 گرم و گرمای ویژه 400J/kg °c و دمای 30ْ (سانتی گراد) ‌را تا° 80 ‌ گرم می کنیم. مقدار گرمایی که گلوله آهنی دریافت می کند چقدر است؟

7 – 100 گرم آب
C
°80
را با چند گرم آب
20°C
مخلوط کنیم تا دمای تعادل
50°C
شود.


مقدار گرمایی که آب
C
°20
می گیرد=
مقدار گرمایی که آب
80°C
از دست می دهد

M ₁=100gr
θ ₁= 80ْc
θ₂ = 20° c

θ _t= 50° c

Q = Q₂

m₁c(θ₁ - θ₂) = m₂c(θ_t - θ₂)

100(80-50) = m₂ (50-20) => m ₂= 100 gr

8 – یک قطعه فلز برجرم 5/0 کیلوگرم را تا 100 درجه سانتی گراد گرم کرده و در 200 گرم آب 15 درجه سانتی گراد می اندازند. اگر دمای تعادل 21 درجه سانتی گراد بشود، ظرفیت گرمایی ویژه ی فلز را حساب کنید. (ظرفیت گرمایی ویژه آب 4200j/kg°c است)

M ₁=0/5 kgr
θ ₁= 100ْc

M ₂=0/2 kgr

θ₂ = 15° c

θ _t= 21

m₁c₁(θ₁ - θ₂) = m₂c₂(θ_t - 0)

0/5 * c₁(100-21) = 0/2 * 4200(21-15)

39/5 c₁ = 5040 => c₁=127/5  J/Kg ° c

آموزش فصل دوم

اتومبیل‌های زغال سنگ سوز

پودر ذغال سنگ ارزانتر، سریعتر تبدیل به انرژی می‌شود.

مهندسان کارخانه‌های اتومبیل‌سازی جهان مدتی است که روی مورتورهائی که با گرد زغال بجای سوخت استفاده می‌کند کار کرده و موفقیت‌هائی بدست آورده‌اند. در سال1899م موتوری که «رودلف دیزل» اختراع کرده بود، برای کارخانجات اتومبیل‌سازی مورد توجه قرار نگرفته بود، زیرا با گرد زغال سنگ کار میکرد. دو نمونه از موتور مدرن که با گرد زغال سنگ کار می‌کند بوسیلهکمپانیهای اتومبیل سازی امریکا، جنرال موتورز اکنون به نمایش گذاشته شده. که می‌تواند بازسازی و توسازی ایده قدیمی دیزل باشد.رئیس بخش پژوهشی کارخانه‌ی جنرال موتور می‌گوید:«آزمایشهای بر روی موتور توربین که بنامAGT5نامگذاری شده، نشان داد، که ما در آتیه هم اتومبیلهائی خواهیم داشت که تا حدی شبیه به اتومبیلهای امروزی است، شاید از نقطه نظر ظاهری. حتی صدائی که از لوله اگزوز موتور جدید شنیده می‌شود، صدایی غیر از صدای موتورهای بنزینی و یا وانکل و یا موتور دیزل می‌باشد.زیرا صدایی که از اگزوز این موتور زغال سنگی شنیده می‌شود، ماند صدای جرقه‌ها می‌باشد».

سوخت این موتور از ظریف‌ترین گرد زغال سنگ می‌باشد،که هر ذره‌ی آن باندازه‌ی3میکرون است. یعنی سه هزار میلیمتر،که از آرد هم ظریف‌تر و نرم‌تر است.گرد زغال سنگ در وقایع ناگوار در معادن زغال سنگ شناخته شده، که ایجاد انفجارهای بسیار شدید می‌نماید. فقط70گرم از این گرد زغال در یک متر مکعب هوا، مخلوطی قابل انفجار می‌باشد. یک جرقه کافیست تا آنرا مشتعل سازد.

حال اگر با احتیاط کامل آنرا تحت کنترل درآورند، این مخلوط پر قدرت در موتورها ایجاد قوه محرکه می‌نماید هوای فشرده شده این ماده سوخت گردی را از تانک وارد محل اشتعال موتور می‌نماید، در آنجا با کمی مایع سوختنی، از طریق جرقه الکتریکی مشتعل می‌شود. هنگامیکه موتور بحرکت درآمد، کمپر سوری، همانند پمپ بنزین، پیوسته میزان تعیین شده‌ای از این ماده سوخت را به موتور می‌رساند تا هنگامیکه این موتورهای گرد زغال آماده ساختن بطور سری بشوند، قدری طول خواهد کشید. تصور می‌رود در آغاز قرن بعد، این موتورها بطور سری ساخته خواهند شد.

کارشناسان می‌گویند ذغال‌سنگ برای قرنهای آتیه هم بقدر کافی موجود می‌باشد.  آنچه که باید بهتر و کاملتر شود سیستم مکانیکی تانک و رساندن به سر سیلندر و تزریق در محفظه اشتغال میباشد. هر چند قسمتهای دیگر نیز احتیاج به تکمیل دارند، تا بتوان به سوزاندن کامل ذرات مواد سوختنی موفق شد. زیرا اکنون ذرات زغالی که سوخته باشند در دیوار محفظه سوخت«سرسیلندر» او توربین جمع میشوند. که نتیجه کم شدن عمر موتور و تقلیل قدرت آن می‌باشد. اینها مشکلاتی بودند که باعث شدند رودلف دیزل در زمان خود از ادامه تحقیقات و مطالعاتش صرفنظر کند.

مشکلاتی که در سالهای پیش غیر قابل حل بنظر میرسید، امروزه با پائین آوردن میزان خاکستر موجود در زغال سنگ رفع شده، آنهم با یک سیستم ساده تجزیه و جدا کردن.تا کنون موتورهای آزمایشی از گرد. زغال سنگ بیش از 11/000ساعت کار کرده‌اند، بدون کوچکترین عیب و با نقصی. اگر این ساعتها را در جاده‌ها حرکت میکردند،بمعنی آن بود که مسافتی بطول300/000کیلومتر راه را با قدرت کافی طی کرده باشند. همانقدر که یک موتور معمولی دیزل بطور کلی می‌تواند کار کند.

بنظر کارشناسان شانس زیادی که این موتورهای با سوخت گرد زغال اکنون دارند آنست، که ابتدا آنها را برای تولید انرژی الکتیسیته و پمپ‌های آب در دهات و شهرک‌های کوچک بکار گیرند. آنوقت این موتور، ژنراتوری را برای تولید برق بچرخش در می‌آورد. و در عین حال گرمای موتور آن میتوان آب را هم گرم کند.

خلاصه فصل دوم

 بعضی‌ از اجسام مثل آب جوش یا شعله کبریت خیلی داغ هستند، آتقدر داغ که می‌توانند به ما
آسیب برسانند. در طرف دیگر یک تکه یخ خشک خیلی سرد است. آنقدر که می‌تواند  بدن ما را
 بلرزاند. به همین دلیل  گرمی یا سردی اجسام را با لمس کردن نمی‌توان بطور دقیق تعیین کرد.
اگر آن جسم خیلی داغ یا خیلی سرد باشد، به ما آسیب می‌رساند و اگر به اندازه‌ای که ما احساس می‌کنیم سرد یا گرم نباشد، تنها با لمس کردن نمی‌توان گفت که آن جسم به چه اندازه گرم یا سرد است. ما برای سنجش گرمی یا سردی اجسام به کمیتی نیاز داریم، که از لمس کردن مطمئن‌تر باشد. هرقدر جسمی سردتر باشد دمایش پایین تر و به هر اندازه گرمتر باشد دمایش نیز بالاتر است. دما معیاری برای اندازه‌گیری و سنجش گرمی و سردی جسم است. پس ابتدایی ترین روش اندازه گیری دما استفاده از حس لامسه است. یک دانشمند ایتالیایی به نام گالیله در حدود سال 1592 دست به سلسله آزمایشهایی زد. گالیله دماسنجی درست کرد که بهتر است آنرا دماسنج هوایی بنامیم. زیرا وی این دماسنج را با یک لوله شیشه‌ای که یک سر آن آزاد و در سر دیگرش حباب شیشه‌ای قرار داشت، ساخته بود. گالیله سر آزاد لوله را به درون آب فرو برده بود. هنگامی که به لوله حرارت می‌داد، هوای داخل آن منبسط شده، سطح مایع داخل لوله را پایین می‌آورد. برعکس هنگامی که لوله سرد می‌شد، هوای داخل آن نیز فشرده شده و سطح مایع را بالا می‌برد. گالیله این دماسنج را برای اندازه‌گیری حرارت یا برودت هوا بکار برد. اما یک اشکال بزرگ در کار این نوع دماسنج جلوه می‌نمود و آن اینکه بالا یا پایین آمدن سطح مایع تنها بعلت حرارت یا برودت هوا صورت نمی‌گرفت. بلکه عوامل دیگری مانند تغییرات فشار جوی نیز در این کار سهیم بودند که دقیق نبودن دماسنج گالیله را آشکار می‌ساخت.   
 دماسنج 
دماسنج  می‌تواند اندازه‌گیری دقیقی از درجه سردی یا گرمی جسم داشته باشد. رایج‌ترین دماسنجها دماسنج جیوه‌ای یا الکلی است. اساس این دماسنجها براساس انبساط مایعات است. تقریباً همه مواد چه جامد ، مایع یا گاز وقتی گرم  می‌شوند منبسط می‌شوند. هرگاه در اطراف یک دماسنج دمای محیط افزایش پیدا کند، ارتفاع مایع دماسنج افزایش پیدا می‌کند و بالعکس هر گاه دمای محیط کاهش یابد، ارتفاع مایع درون دماسنج کاهش می‌یابد. معمولترین دماسنجها، دماسنج جیوه‌ای والکلی می‌باشند.   
 ساختمان دماسنج جیوه‌ای و الکلی
 این دما‌سنجها مطابق شکل از یک لوله شیشه‌ای باریک سربسته و خالی از هوا تشکیل شده که قسمت پایین آن متصل به یک مخزن است. این مخزن می‌تواند مملو از جیوه یا الکل باشد. با بالا رفتن دمای محیط اطراف دماسنج، دمای مایع درون دماسنج انبساط پیدا کرده، حجم آن افزایش پیدا می‌کند و مایع در لوله باریک بالا می‌رود، تا جاییکه سطح بالایی آن در ارتفاع مشخصی قرار می‌گیرد. هرچه دما بالاتر برود ارتفاع مایع بالاتر می‌رود و هر چه دما پایین‌تر بیاید ارتفاع مایع پایین‌تر می‌آید. دماسنجی که ما اکنون به کار می‌بریم درست همان کار دماسنج گالیله را انجام می‌دهد. با این تفاوت که در دماسنج ما به بجای هوا، جیوه تعبیه شده است. جیوه براثر حرارت یا بردوت منبسط یا منقبض شده و بدین وسیله در درون یک لوله شیشه‌ای بالا و پایین می‌رود. هنگامی که جیوه گرم می‌شود، خود را از دیواره شیشه بالا می‌کشد، انبساط حجم پیدا می‌کند و چون سرد می‌‌شود منقبض شده و در حباب شیشه‌ای پائین لوله دماسنج، جمع می‌شود. دماسنج جیوه‌ای را گراند دوک فردیناند دوم، در حدود سال 1654 میلادی برای نخستین بار به کار برد. 

 دماسنج پزشکی

 دماسنج پزشکی دارای یک لوله خیلی باریک شیشه‌ای است، که به مخزن جیوه‌ای با جداره‌ای خیلی نازک مربوط شده است. وقتی دماسنج پزشکی در دهان یک مریض قرار می‌گیرد، در اثر گرمای بدن بیمار جیوه در مخزن منبسط‌ شده، و در لوله بالا می‌رود. اما این جیوه به سهولت پایین نمی‌آید. زیرا بین مخزن و لوله یک معبر خیلی تنگ پیش‌بینی شده است، تا جیوه فوراً پایین نرود، و پزشک امکان خواندن درجه تب مریض را داشته باشد. پایین نرفتن جیوه در لوله، علاوه بر وجود این شکاف تنگ، علت دیگری هم دارد و آن اینکه نیروی جاذبه مولکولی مولکولهای جیوه بیشتر از مولکولهای شیشه و جیوه است، بنابراین از شکاف به سادگی عبور نمی‌کند. همان‌طور که اگر به یک صافی چایی که مانند یک الک کوچک است، روغن مالیده شود، یک قاشق آب را می‌توان به سادگی داخل آن نگه داشت.    زیرا جاذبه مولکولی مولکولهای آب بیشتر از مولکولهای آب و روغن است. اما راه ساده‌ای برای برگرداندن جیوه به مخزن دماسنج وجود دارد: اگر دماسنج را یک لحظه در آب گرم فرو برده، و فوراً بیرون بکشیم، جیوه به سهولت سرجای خود برمی‌گردد. زیرا در این صورت ظرف شیشه‌ای زودتر از جیوه گرم شده، منبسط می‌شود و بزرگ شدن نسبی این سوراخ باریک نیز باعث برگشت فوری جیوه به مخزن می‌گردد. به شرطی که آب بیش از حد گرم نباشد تا سبب شکستن دماسنج نشود.

فصل دوم

«دما و گرما» گرما و روش‌های گرماسنجی در زندگی روزمره از واژه‌هایی مانند گرم،‌سرد، گرم‌تر، سردتر، داغ، ولرم و‌ خنک استفاده می‌کنیم‌. همه‌ی این واژه‌ها به موضوع مورد بحث این فصل ما مربوط می‌شوند که به بررسی آن می‌پردازیم‌  دما    دما معیاری است که میزان گرمی و سردی جسم‌ها را مشخص می‌کند‌ یک روش تقریبی برای تعیین دمای یک جسم،‌استفاده از حسّ لامسه است‌. این ساده‌ترین نوع دماسنجی است ولی با خطای زیادی مواجه می‌شویم‌     دماسنج‌ برای اندازه گیری دقیق دما از دماسنج استفاده می‌کنیم‌. ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع دماسنج دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی است اساس کار دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی،‌ انبساط مایع‌ها است‌. اگر ظرف آبی را روی شعله قرار دهیم‌، انبساط آب را می‌توانیم مشاهده کنیم‌ ساختمان دماسنج جیوه‌ای یا الکلی این دماسنج،‌از یک لوله‌ی شیشه‌ای باریک سربسته که هوای آن تخلیه شده است، تشکیل شده است و مخزن آن پر از جیوه (یا الکل) است‌. وقتی دماسنج در تماس با جسمی قرار می‌گیرد، در صورتی که دمای آن جسم از دمای جیوه‌‌ی (یا الکل) داخل مخزن بیش‌تر باشد، دمای مایع درون مخزن بالا می‌رود و در نتیجه حجم مایع نیز بیش‌تر می‌شود‌. بنابراین مایع در لوله بالا می‌رود‌. هر چه ارتفاع مایع داخل لوله بیش‌تر باشد، دمای جسم بیش‌تر است‌     مدرّج ساختن دماسنج رایج‌ترین نحوه ی انتخاب اندازه‌ی دمای مربوط به هر ارتفاع از ستون مایع، نحوه‌ی انتخابی است که به درجه‌بندی سلسیوس یا سانتی‌گراد  معروف است‌.  در این درجه‌بندی،‌ابتدا دماسنج را درون مقداری یخ خرد شده‌ی در حال ذوب قرار می‌دهیم، به صورتی که مخزن دماسنج به طور کامل  داخل یخ باشد‌. هنگامی که سطح جیوه در لوله‌ی باریک در محلی ثابت شده آن را علامت می‌زنیم و عدد صفر را برای آن در نظر می‌گیریم‌ سپس دماسنج را بالای سطح آب خالص در حال جوش به صورتی می‌گذاریم که مخزن دماسنج در تماس کامل با بخار باشد‌ وقتی سطح جیوه در بالاترین ارتفاع قرار گرفت، آن را علامت می‌زنیم و عدد صد را برای آن در نظر می‌گیریم‌     اینک بین صفر و صد را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم و هر قسمت را یک درجه‌ی سلسیوس می‌نامیم‌. این درجه‌بندی را به زیر صفر و بالای صد نیز ادامه می‌دهیم‌. دمای هر جسم بر حسب درجه سلسیوس را با نماد  نشان می‌دهیم‌ نحوه‌ی استفاده از دماسنج برای اندازه ‌‌گیری دمای هر جسم توسط دماسنج، آن را به صورتی در تماس با جسم قرار می‌دهیم که تمام مخزن دماسنج با جسم موردنظر در تماس باشد‌. آن گاه مدتی صبر می‌کنیم تا ارتفاع مایع داخل لوله ثابت شود‌. در این وضعیت‌، عددی که دماسنج نشان می‌دهد‌، دمای جسم است‌. به عنوان مثال‌، دمای بدن یک انسان را می‌توان با استفاده از یک دماسنج پزشکی تعیین کرد‌ برای اندازه‌ گیری دمای هوا، ‌دماسنج را در محلی نصب می‌کنیم و از روی آن می‌توان دمای هوا را در هر لحظه تعیین کرد‌         گستره‌ی سنجش دما در دماسنج‌های الکلی و جیوه‌ایحد پایین دما حدود   است‌. اما حد بالای آن را نمی‌توان تعیین کرد‌. به عنوان مثال دمای درون داغ‌ترین ستاره‌ها حدود   است‌ گستره‌ی قابل استفاده از این دماسنج‌ها بین نقطه‌های انجماد و جوش مایع داخل دماسنج است‌. یعنی فقط دماهایی را می‌توان با آن‌ها اندازه‌گیری کرد که بالاتر از نقطه‌ی انجماد و پایین‌تر از نقطه‌ی جوش مایع درون دماسنج باشد‌

تعادل گرمایی، دمای تعادل هرگاه دو جسم با دمای متفاوت در تماس با یک ‌دیگر باشند،‌دمای آن‌ها تغییر می‌کند‌. این تغییر دما تا جایی ادامه دارد که دمای هر دو جسم یکسان شود. این دما را دمای تعادل دو جسم می‌نامند‌ دو جسم، هنگامی با یک ‌دیگر در تعادل گرمایی هستند که اگر در تماس کامل با یک ‌دیگر قرار گیرند‌. دمای آن‌ها تغییری نکند‌ به عنوان مثال یک سکه را روی شعله گرفته و آن را گرم می‌کنیم‌. سپس آن را داخل یک ظرف آب می‌اندازیم‌. در ابتدا دمای سکه بالاتر از دمای آب است‌. اما پس از گذشت مدتی، دمای سکه و آب یکسان می‌شود‌  گــرما هرگاه بخواهیم دمای آب درون ظرفی را افزایش دهیم‌، ظرف آب را روی شعله قرار می‌دهیم‌. این شعله با مصرف انرژی شیمیایی سوخت‌، دمای آب را بالا می‌برد‌. به بیان دیگر انرژی درونی آن را افزایش می‌دهد‌. برای بالا رفتن دمای آب‌، انرژی از شعله به آب منتقل می‌شود‌ همچنین اگر جسمی را روی شعله گرم کنیم و آن را داخل آب بیاندازیم‌، دمای جسم داغ، کاهش و دمای آب افزایش می‌یابد‌. با این عمل، انرژی درونی جسم کاهش یافته و انرژی درونی آب افزایش می‌یابد و انرژی از جسم به آب منتقل می‌شود‌ انرژی فقط زمانی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود که دمای دو جسم متفاوت باشد‌. وقتی دمای دو جسم یکسان باشد، می‌توان گفت‌: انرژی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود‌. به مقدار انرژی‌ای که به دلیل اختلاف دما، بین یک جسم و جسم دیگری که با آن در تماس است‌، مبادله می‌شود، گرما می‌گویند‌. گرما را با نماد  نمایش می‌دهیم‌ رسانش گرما  هرگاه یک سر یک میله‌ی فلزی را در دست  خود گرفته و سر دیگر آن را روی شعله بگیریم، پس از مدتی، آن سر میله که در دست ما است نیز داغ می‌شود و دیگر نمی‌توانیم آن را نگه داریم‌ از این آزمایش و آزمایش مشابه نتیجه می‌گیریم،‌هرگاه بین دو نقطه از یک جسم،‌اختلاف دما وجود داشته باشد‌، گرما از بخش با دمای بالاتر به بخش با دمای پایین‌تر شارش می‌کند‌. در این نوع شارش یا انتقال گرما،‌هر مولکول گرما را به مولکول مجاور خود منتقل می‌کند ولی از محل خود به محل دیگر منتقل نمی‌شود‌. این نوع انتقال گرما را که بدون جابه‌جایی مولکول‌ها انجام می‌شود، رسانش گرما می‌گویند‌. رسانش گرما در جامدها بیش‌تر از مایع‌ها و گازها است‌ آهنگ شارش گرما در جسم‌ها به جنس آن‌ها بستگی دارد‌. به عنوان مثال آهنگ شارش گرما در مس بیش‌تر از آهن و در آهن بیش‌تر از شیشه است‌ جسم‌هایی مانند فلز‌ها که گرما را بسیار سریع‌تر از جسم‌های دیگری مانند چوب یا شیشه منتقل می‌کنند،  ‌رسانای گرما می‌گویند‌. جسم‌هایی مانند چوب،‌ شیشه و پلاستیک که سرعت انتقال گرما در آن‌ها کم‌تر است،‌ نارسانای گرما یا عایق گرما می‌گویند‌ آب رسانای خوبی برای گرما نیست چند قطعه یخ را داخل یک لوله‌ی آزمایش قرار می‌دهیم و روی آن را با یک توری فلزی می‌پوشانیم تا در ته لوله باقی بمانند‌. سپس مقداری آب داخل لوله ریخته و لوله را طوری روی شعله قرار می‌دهیم که گرمای شعله به ناحیه‌ای که آب است،‌منتقل شود‌. پس از مدتی آب جوش می‌آید ولی یخ در لوله همچنان وجود دارد‌. این آزمایش   نشان می‌دهد که آب رسانای خوبی برای گرما نیست‌ عایق بندی گرمایی یا صرفه‌جویی در مصرف انرژی در فصل زمستان،‌به دلیل وجود اختلاف دما بین هوای بیرون و درون یک ساختمان، مقدار زیادی گرما از طریق رسانش، در دیوارها، درها،‌شیشه‌ها و پنجره‌ها تلف می‌شود‌ برای جلوگیری از تلف شدن انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌توان به عنوان مثال‌ منفذها را از بین برد،‌شیشه‌ها را دوجداره کرد،‌از ماده‌های با رسانایی گرمایی ضعیف در ساختن دیوارها و سقف‌ها استفاده کرد، بین دیوارها و سقف‌ها از ماده‌های عایق گرما استفاده کرد وغیره آهنگ عبور گرما به جنس ماده‌ی به کار رفته بستگی دارد‌. جدول زیر آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما (که یکای آن   است)‌، را برای برخی از جسم ها نشان می دهد برای به دست آوردن اتلاف انرژی از رابطه‌ی زیر استفاده می‌کنیم‌ اتلاف انرژی = آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما مساحت مدت زمان   اختلاف دما هوا رسانای بسیار ضعیف گرما است‌ در زمستان مشاهده می‌کنیم‌، پرندگان پرهای خود را باد می‌کنند‌. با باد کردن پرها، مقدار زیادی هوا در لابه‌لای آن‌ها محبوس می‌شود و این لایه‌ی هوا از خارج شدن  گرمای بدن آن‌ها جلوگیری می‌کند‌ انسان‌ها نیز در زمستان لباس‌های ضخیم و پشمی می‌پوشند‌. در این مورد نیز مقدار زیادی هوا بین تار و پودهای لباس حبس می‌شود و از خارج شدن گرمای بدن جلوگیری می‌شود‌. در واقع لباس‌ها، بدن انسان را گرم نمی‌کنند بلکه از خروج گرمای بدن جلوگیری می‌کنند‌ گرمای ویژه ظرف شیشه‌ای محتوی   آب را روی یک سه‌پایه،‌بالای چراغ خاموش قرار می‌دهیم‌. با هم زن آب را هم می‌زنیم و دمای آن را   یادداشت می‌کنیم‌. چراغ را روشن کرده و پس از پنج دقیقه دمای نهایی   را یادداشت می‌کنیم. اینک چراغ را خاموش می‌کنیم‌. افزایش دمای آب یعنی   را حساب می‌کنیم‌         اینک همان اعمال را با    آب تکرار می‌کنیم و می‌خواهیم اختلاف دما به همان مقدار قبلی یعنی   باشد‌. مشاهده می‌کنیم مدت زمان لازم برای انجام این کار دو برابر یعنی ده دقیقه است‌             در مرتبه ی سوم نیز همان   آب را روی شعله قرار می دهیم . ولی این بار می خواهیم اختلاف دما دو برابر یعنی   شود .مشاهده می کنیم در این جا نیز مدت زمان لازم دو برابر یعنی ده دقیقه است                 با توجه به آزمایش فوق،‌نتیجه می‌گیریم، برای یک ماده‌ی معین مقدار گرمایی که باید به کیلوگرم از ماده داده شود تا دمای آن به اندازه‌ی   افزایش یابد،‌با جرم جسم و اختلاف دما متناسب است،‌یعنی‌   در نتیجه به عبارت دیگر نسبت   همواره مقدار ثابتی است‌. این مقدار ثابت را گرمای ویژه‌ی آب می‌نامیم‌    =  گرمای ویژه‌ی آب بنا به تعریف، مقدار گرمای لازم برای گرم کردن یک کیلوگرم از هر ماده به اندازه‌ی یک درجه‌ی سلسیوس را گرمای ویژه‌ی آن ماده می‌نامند گرمای ویژه را با نماد  نمایش می‌دهیم و یکای آن در ، ژول بر کیلوگرم بر درجه‌ی سلسیوس   است‌. جدول زیر گرمای ویژه‌ی برخی از ماده‌ها را نشان می‌دهد‌. محاسبه انرژی گرمایی لازم برای ایجاد یک تغییر معین در دما‌ با استفاده از تعریف گرمای ویژه داریم‌ بنابراین، گرمای موردنظر از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید‌ در این رابطه، انرژی  بر حسب ژول ، جرم  بر حسب کیلوگرم  گرمای ویژه  بر حسب ژول بر کیلوگرم بر درجه سلسیوس   و اختلاف دما   بر حسب درجه سلسیوس   است‌