گرما و قانون گازها

در این فصل به بررسی گرما و آثار آن می پردازیم. همچنین به بررسی گرمای ویژه، تغییر حالت مواد و گرمای نهان ذو ب و تبخیر پرداخته و با راههای انتقال گرما و قانون عمومی گازها آشنا می شویم.

 

گرما و قانون گازها

در این فصل به بررسی گرما و آثار آن می پردازیم. همچنین به بررسی گرمای ویژه، تغییر حالت مواد و گرمای نهان ذو ب و تبخیر پرداخته و با راههای انتقال گرما و قانون عمومی گازها آشنا می شویم.



  دما

دما معیاری است که میزان سردی و گرمی جسمها را مشخص می کند. یکای دما درجه سیلسیوس است که با ْ C نشان داده می شود. دما برحسب درجه سیلسیوس را معمولاً با θ نمایش می دهند. اما یکای دما در SI درجه کلوین است که با K نشان داده می شود. دما بر حسب کلوین را معمولاً با T نشان می دهند. بین K وْ C رابطه زیر برقرار است:
T (K) = θ(C ْ) + 273
 



  تعبیر مولکولی دما

انرژی درونی هر جسم، مجموع انرژیهای مولکولهای تشکیل دهنده آن است. افزایش انرژی درونی هر جسم غالباً به صورت افزایش دمای آن جسم ظاهر می شود پس «دمای هر جسم متناسب است با انرژی جنبشی متوسط مولکولهای سازنده آن.»  



  گرما و تعادل گرمایی

می دانید که گرما مقداری انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین یک جسم و جسم دیگری که با آن در تماس است مبادله می شود. با توجه به قانون پایستگی انرژی، مقداری انرژی که جسم با دمای بالاتر از دست می دهد برابر است با مقدار انرژی که جسم با دمای پایینتر دریافت می کند. این مبادله تا زمانی که دمای دو جسم یکی شود ادامه می یابد: زمانی که دو جسم هم دما شدند دیگر انرژی ای مبادله نمی شود، در این حالت دو جسم با هم در تعادل گرمایی و دمای مشترک را «دمای تعادل» می نامند.  



  گرمای ویژه

گرمای ویژه هر جسم مقدار گرمایی است که باید یک کیلوگرم از آن جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سیلسیوس (یا یک کلوین) افزایش یابد. گرمای ویژه با c نمایش داده می شود و یکای آن ْ J/gc می باشد.

به این ترتیب گرمای (Q) لازم برای ایجاد تغییر θ Δ برای جسم به جرم m و ظرفیت گرمایی ویژه C از رابطه زیر به دست می آید:
(Q =mc Δ θ = mc(θ2 –θ1

دمای جسم بالا رفته است <== θ2 ≥ θ1 ==> Δθ ≥0 ==> Q ≥0 اگر

دمای جسم کاهش یافته است <== θ2 ≤ θ1 ==> Δθ ≤0 ==> Q ≤0 اگر

برای محاسبه دمای تعادل دو یا چند جسم با گرمای ویژه C1 C2 C3 و ... و جرمهای m1 m2 m3 و ... با دماهای اولیه 1θ 2θ 3θ و ... که در تماس کامل با هم قرار گرفته اند می توانیم می توانیم حاصل جمع گرماهایی را که با هم مبادله کرده اند مساوی صفر قرار دهیم.

Q1+Q2+Q3 +… = 0

M1c1( θ- θ1)+ m2c2 (θ-θ2) + m3c3(θ - θ3)+… = 0
 



  گرما سنجی

گرماسنج از یک فلاسک یا ظرفی که به خوبی عایق بندی شده و یک همزن و یک دماسنج تشکیل شده است. درون گرماسنج آب می ریزند و وقتی دمای فلاسک و همزن و آب یکی شد دما را می خوانند آنگاه جسم مورد نظر را درون فلاسک می اندازند تا به تعادل گرمایی برسد و دمای تعادل را می خوانند. گرماسنج، خود دارای ظرفیت گرمایی است که مربوط فلاسک و همزن و دماسنج است MCF+M’CM+M’’CT = A ظرفیت گرمایی گرماسنج با داشتن ظرفیت گرمایی ویژه گرماسنج، می توان گرمای ویژه یک جسم را به کمک گرما سنج تعیین کرد.

A(θ – θ1)+ m1c آب θ – θ1) + m2c) جسم θ - θ2) = 0)
 



  حالتهای ماده

 

گفتیم که ماده به سه حالت جامد، مایع و گاز یافت می شود. گذار ماده از یک حالت (فاز) به حالت (فاز) دیگر را تغییر حالت (تغییر فاز) گویند تغییر حالتها معمولاً با گرفتن یا از دست دادن گرما همراهند. به نمودار زیر توجه کنید، تغییر حالتهای ماده در آن نشان داده شده است.  

ذوب و تبخیز و تصعید گرماگیر هستند. انجماد و میعان و چالش گرماده هستند.

- گرمای نهان ذوب:
اگر به جسم جامدی که به دمای ذوب رسیده گرما بدهیم، شروع به ذوب شدن می کند. این گرما سبب تغییر دمای جسم نمی شود بلکه صدف تغییر حالت جسم می شود. از این رو به این گرما، گرمای نهان ذوب گویند.

- گرمای نهان ویژه ذوب (Lf):
مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم جسم جامد در نقطه ذوب داده شود تا به مایع در همان دما تبدیل شود.

گرمای نهان ذوب Q = mlf

- گرمای نهان ویژه انجماد:
فرآیند انجماد عکس فرآیند ذوب است. هر جسم به هنگام انجماد همانقدر گرما از دست می دهد که به هنگام ذوب می گیرد.

گرمای نهان انجماد Q =- mlf

- گرمای نهان ویژه تبخیر(Lv):
برابر مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم مایع در دمای نقطه جوش داده شود تا به بخار در همان دما تبدیل شود.

گرمای نهان تبخیر Q = mlv

- گرمای نهان ویژه میعان:
فرآیند میعان عکس فرآیند تبخیر است. گرمای نهان میعان،منفی گرمای نهان تبخیر است.

گرمای نهان میعان Q = - mlv

در SI یکای گرمای نهان J/kg می باشد.

 



  تبخیر سطحی

به گریز مولکولهای مایع از سطح مایع، تبخیر سطحی می گویند. در اثر تبخیر سطحی انرژی درونی مایع کاهش می یابد و در نتیجه دمایش هم کاهش می یابد. آهنگ تبخیر سطحی به عواملی چون دما و مساحت سطح مایع بستگی دارد.  



  اثر تغییر دما بر طول و حجم جسمها

اکثر اجسام در اثر افزایش دما، منبسط می شوند. این انبساط به صورتهای زیر است:

1 – انبساط جامدها:
الف) طولی
ب) سطحی
ج) حجمی

2 – انبساط مایعها

3 – انبساط گازها (قانون گازها)
 



  1 – انبساط جامدها
الف) انبساط طولی جامدها:

افزایش دما باعث افزایش طول جامدها می شود. انبساط طولی اجسام مختلف با هم متفاوت است و برای نشان دادن این تفاوت از کمیت ضریب انبساط طولی استفاده می شود.

ضریب انبساط طولی (آلفا) عبارتست از افزایش طول واحد طول از یک جسم جامد وقتی که دمای آن یک درجه کلوین (یا سانتی گراد) بالا رود.

الفا α = ΔL/L1ΔT

یکای ضریب انبساط طولی 1/K یا 1/C° می باشد.
اگر جسمی به طول L به اندازه TΔ گرم شود، مقدار افزایش طول آن از رابطه زیر به دست می آید:

ΔL = α L1 Δ T
 



  ب) انبساط سطحی جامدها:

افزایش دما باعث افزایش سطح جامدها نیز می شود.

ضریب انبساط سطحی (2α) عبارت است از افزایش مساحت واحد سطح یک جسم جامد وقتی که دمای آن یک درجه کلوین (یا سانتی گراد) بالا رود و مقدار آن حدود 2 برابر ضریب انبساط طولی می باشد.)

2 آلفا= ΔA/A1 ΔT

یکای ضریب انبساط سطحی نیز 1/K یا 1/C°می باشد.

اگر جسمی به مساحت A1 به اندازه ΔT گرم شود، مقدار افزایش سطح آن از رابطه زیر به دست می آید:
Δ A = 2 α A1 Δ T
 



  ج) انبساط حجمی جامدها:

برای انبساط حجمی هم ضریب انبساط حجمی را تعریف می کنیم.
ضریب انبساط حجمی (3 α آلفا) عبارت است از افزایش حجیم واحد حجیم ماده به ازای افزایش دمای یک کلوین.

ضریب انبساط حجمی را معمولاً با بتا نمایش می دهند و مقدار آن حدوداً سه برابر ضریب انبساط طولی است (β بتا= 3α )
β = ΔV/V1ΔT
ΔV = βV ΔT
 



  2 – انبساط مایعها:

مایعها هم با افزایش دما انبساط می یابند. برای مایعها هم ضریب انبساط حجمی تعریف می شود. انبساط مایعها اساس کار دماسنجهای جیوه ای و الکلی را تشکیل می دهد.  

نوشته شده در تاریخ جمعه 12 آذر 1389    | توسط: مهدی قاضی زاده    |    |
نظرات()