مفهوم گرما نقش اساسی در درک دنیای فیزیکی اطراف ما دارد. در این درس به بررسی چیستی گرما، اندازه گیری آن و تاثیر آن بر ماده خواهیم پرداخت. کمیت گرما را می توان در چارچوب تعریف آن، واحدهای اندازه گیری، ظرفیت گرمایی ویژه و کاربرد آن در محاسبه انتقال حرارت درک کرد.
گرما شکلی از انرژی است که بین سیستم ها یا اجسام با دماهای مختلف منتقل می شود. این انتقال انرژی از جسم گرمتر به جسم سردتر انجام می شود تا زمانی که تعادل حرارتی حاصل شود. انتقال حرارت می تواند به سه صورت انجام شود: رسانایی، همرفت و تابش.
واحد گرما در سیستم بین المللی واحدها (SI) ژول (J) است. از نظر تاریخی، گرما بر حسب کالری (کالری) اندازه گیری می شد، که در آن 1 کالری به عنوان مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای 1 گرم آب به میزان 1 درجه سانتی گراد در فشار اتمسفر تعریف می شود. رابطه بین ژول و کالری توسط: \( 1\, \textrm{cal} = 4.184\, \textrm{جی} \) یکی دیگر از واحدهای رایج انرژی گرمایی در سیستم بریتانیا واحد حرارتی بریتانیا (BTU) است. با 1 BTU مقدار گرمای مورد نیاز برای افزایش دمای 1 پوند آب به میزان 1 درجه فارنهایت.
ظرفیت گرمایی ویژه ( \(c\) ) خاصیتی از یک ماده است که مقدار گرمای لازم برای تغییر دمای 1 کیلوگرم ماده را به میزان 1 کلوین (K) یا 1 درجه سانتی گراد تعریف می کند. بر حسب ژول بر کیلوگرم کلوین ( \(J/(kg\cdot K)\) بیان می شود. فرمول محاسبه مقدار گرما ( \(Q\) ) با استفاده از ظرفیت گرمایی ویژه به صورت زیر است: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) که در آن: - \(Q\) کمیت گرما در ژول، - \(m\) جرم ماده بر حسب کیلوگرم، - \(c\) ظرفیت گرمایی ویژه ماده است و - \(\Delta T\) تغییر دما بر حسب کلوین یا درجه سانتیگراد است. .
محاسبه انتقال حرارت در زمینه های مختلف علمی و مهندسی، از جمله درک الگوهای آب و هوا، طراحی سیستم های گرمایش و سرمایش و توضیح تغییرات فیزیکی مواد بسیار مهم است. بیایید مثالی را برای توضیح نحوه محاسبه مقدار گرما بررسی کنیم:
مثال: مقدار حرارت مورد نیاز برای افزایش دمای 2 کیلوگرم آب از 20 درجه سانتیگراد به 50 درجه سانتیگراد را محاسبه کنید. ظرفیت گرمایی ویژه آب \(4184 J/(kg\cdot K)\) است.
ما از فرمول مقدار گرما استفاده می کنیم: \( Q = m \cdot c \cdot \Delta T \) جایگزین مقادیر داده شده: \( Q = 2\, \textrm{کیلوگرم} \cdot 4184\, \textrm{J/(کیلوگرم}\cdot \textrm{ک)} \cdot (50 - 20)\, \textrm{درجه سانتی گراد} \) محاسبه مقدار \(Q\) مقدار گرمای مورد نیاز را به ما می‌دهد.
آزمایش ها روشی عملی برای درک مفهوم گرما و تأثیرات آن بر مواد مختلف است. در اینجا دو آزمایش ساده وجود دارد که مفهوم انتقال حرارت و ظرفیت گرمایی ویژه را نشان می دهد:
آزمایش 1: اندازه گیری تغییر دما در آب
این آزمایش شامل گرم کردن مقدار شناخته شده آب و اندازه گیری تغییر دما است. با استفاده از یک بخاری برقی برای تامین مقدار مشخصی از انرژی به آب، دانش آموزان می توانند افزایش دما را اندازه گیری کرده و ظرفیت گرمایی ویژه آب را با استفاده از فرمول ارائه شده قبل محاسبه کنند.
آزمایش 2: مقایسه جذب گرما
در این آزمایش، توده های مساوی از مواد مختلف مانند آب و روغن در شرایط یکسان قرار می گیرند و برای مدت زمان یکسانی گرم می شوند. دانش آموزان با اندازه گیری تغییر دمای هر ماده می توانند تفاوت های جذب گرما را مشاهده کرده و آن را با مفهوم ظرفیت گرمایی ویژه مرتبط کنند.
کمیت گرما یک جنبه حیاتی برای درک انتقال انرژی در دنیای فیزیکی است. از طریق تعریف گرما، واحدهای اندازه‌گیری و ظرفیت گرمایی ویژه، می‌توان انتقال حرارت را در فرآیندها و سیستم‌های مختلف کمیت و محاسبه کرد. انجام آزمایش‌ها بینش عملی در مورد چگونگی تأثیر گرما بر مواد مختلف ارائه می‌کند و به تقویت مفاهیم نظری تحت پوشش در این درس کمک می‌کند.
