کپی شد

فیزیک

گرما

روش‌های انتقال گرما

اختلاف دما باعث شارش گرما از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر می‌شود. این شارش یا انتقال گرما تا وقتی ادامه می‌یابد که دو جسم هم دما شوند و اصطلاحاً به تعادل گرمایی برسند.

شارش گرما به سه صورت متفاوت انجام می‌شود که عبارت‌اند از: رسانش گرمایی، همرفت و تابش گرمایی. در هر فرایند انتقال گرما، ممکن است هر سهٔ این ساز و کارها دخالت داشته باشند.

رسانش گرمایی:

وقتی یک طرف میله‌ای فلزی را روی آتش قرار می‌دهیم بعد از مدت کوتاهی طرف دیگر میله نیز گرم می‌شود؛ در واقع گرما به روش رسانش به طرف دیگر میله منتقل شده است.

اجسامی مانند شیشه و چوب می‌توانند گرما را تا حدودی انتقال دهند اما این اجسام رساناهای گرمایی خوبی نیستند به همین دلیل از برخی از این مواد در دیوارها و سقف بناها به عنوان عایق گرما استفاده می‌شود. رسانش گرمایی در این اجسام، به دلیل ارتعاشات اتم‌ها و گسترش این ارتعاش‌ها در طول آنهاست. اما در فلزات افزون بر ارتعاش‌های اتمی، الکترون‌های آزاد نیز در انتقال گرما نقش دارند. بنابراین، نسبت به سایر اجسام، رساناهای گرمایی بسیار بهتری هستند. در واقع چون الکترون‌ها بسیار کوچک‌اند و به سرعت حرکت می‌کنند با برخورد با سایر الکترون‌ها و اتم‌ها سبب رسانش گرما می‌شوند. بنابراین، در نافلزات گرما صرفاً از طریق ارتعاش اتم‌ها انتقال می‌یابد اما در رساناهای فلزی علاوه بر ارتعاش اتم‌ها، الکترون‌های آزاد نیز در رسانش گرما نقش دارند و سهم آنها بیشتر از اتم‌هاست.

آهنگ رسانش گرمایی:

اگر گرمای

Q

در مدت زمان

t

به روش رسانش منتقل شود، نسبت

\frac{Q}{t}

را آهنگ رسانش گرمایی می‌گوییم؛ یکای آن ژول بر ثانیه (

\frac{J}{s}

) است و با

H

نشان می‌دهیم که با اختلاف دمای دو سر میله (

T_{H} - T_{L}

) و سطح مقطع میله (

A

) نسبت مستقیم و با طول میله (

L

) نسبت عکس دارد:

H = \frac{Q}{t} = k \frac{A (T_{H} - T_{L})}{L}

در این رابطه،

k

رسانندگی گرمایی است که به جنس میله بستگی دارد و یکای آن

\frac{J}{s m K}

یا وات بر متر_کلوین (

\frac{W}{m K}

) است.

☑ رابطۀ بالا، هم برای میله و هم برای تیغه یا بُره قابل استفاده است. برای مثال آهنگ رسانش گرمایی دیواری به ضخامت

L

از همین رابطه بدست می‌آید.

☑ برای اندازه‌گیری رسانندگی گرمایی اجسام فلزی از میله و برای اجسام نافلزی از تیغه، یا بره استفاده می‌کنند.

☑ روش‌های اتلاف انرژی همان روش‌های انتقال انرژی، یعنی رسانش، تابش و همرفت است. برای جلوگیری از اتلاف گرما از موادی که رسانای ضعیف گرما هستند به عنوان عایق استفاده می‌کنیم. برای مثال برای جلوگیری از اتلاف گرما در شیشهٔ پنجره‌های معمولی، آنها را با شیشه‌های دوجداره که لایه‌ای هوا بین دو لایه شیشه قرار دارد جایگزین می‌کنند زیرا هوا رسانای ضعیف گرما می‌باشد یا در زمستان پوشیدن چند لایه لباس یا استفاده از پالتو سبب می‌شود لایه‌ای از هوا اطراف بدن را بگیرد و مانع از دست رفتن گرمای بدن شود.

☑ وقتی جسمی را لمس می‌کنیم احساس اینکه جسم چقدر سرد یا گرم است به آهنگ رسانش گرما بین دستان ما و جسم بستگی دارد. برای مثال وقتی دو جسم چوبی و فلزی سرد، با دمای یکسان را لمس می‌کنیم، حس می‌کنیم که فلز سردتر است؛ زیرا فلز رسانندهٔ گرمای بهتری نسبت به چوب است و در نتیجه گرما از دست ما با آهنگ بیشتری به فلز شارش می‌کند و فلز سردتر به نظر می‌رسد و حتی ممکن است دست ما به فلز بچسبد زیرا این شارش سریع گرما می‌تواند باعث یخ زدن رطوبت روی دست ما شود.

تألیفی

1 کدام گزینه نادرست است؟

رسانندگی گرمایی به جنس جسم بستگی دارد و یکای آن
$\frac{W}{m K}$
است.
آنچه سبب انتقال گرما از شیشه می‌شود، الکترونهای آزاد است.
پنجرۀ دوجداره از اتلاف گرما جلوگیری می‌کند زیرا هوا رسانای ضعیف گرما است.
وقتی جسمی را لمس می‌کنیم احساس اینکه جسم چقدر سرد یا گرم است به آهنگ رسانش گرما بین دستان ما و جسم بستگی دارد.

پاسخ: گزینۀ 2

در نافلزات گرما صرفاً از طریق ارتعاش اتم‌ها انتقال می‌یابد اما در رساناهای فلزی علاوه بر ارتعاش اتم‌ها، الکترون‌های آزاد نیز در رسانش گرما نقش دارند و سهم آنها بیشتر از اتم‌هاست.

ریاضی 87 خارج کشور

2 اختلاف دمای بین اتاق و هوای بیرون $20$ درجه است. از پنجرۀ این اتاق در هر دقیقه چند کیلو ژول گرما از شیشه‌ای به ابعاد $1 / 5 m \times 1 / 5 m$ و ضخامت $5$ میلی‌متر از طریق رسانش منتقل می‌شود؟ ( $k_{شیشه} = 1 \frac{J}{s . m . K}$ )

$54$
$90$
$540$
$900$

پاسخ: گزینۀ 3

Δ θ = 20 ° C, A = 1 / 5 \times 1 / 5 m^{2}

L = 5 m m = 5 \times 10^{- 3} m, t = 1 m = 60 s

H = \frac{Q}{t} = k \frac{A (T_{H} - T_{L})}{L} \Rightarrow Q = k \frac{A t Δ θ}{L}

Q = 1 \times \frac{1 / 5 \times 1 / 5 \times 60 \times 20}{5 \times 10^{- 3}} = 540 \times 10^{3} J

\Rightarrow Q = 540 k J

تجربی 90 خارج کشور

3 یک میلۀ فلزی استوانه‌ای شکل به طول یک متر و سطح مقطع $4$ سانتی‌متر مربع را از یک طرف درون آب در حال جوش $100 ° C$ و از طرفی دیگر در $30$ گرم یخ صفر درجۀ سلسیوس قرار می‌دهیم و پس از $60$ دقیقه تمام یخ ذوب شده و به آب صفر درجۀ سلسیوس تبدیل می‌شود. اگر $L_{F} = 336000 \frac{J}{k g}$ باشد، رسانندگی گرمایی این فلز در SI چقدر است؟

$7$
$14$
$70$
$140$

پاسخ: گزینۀ 3

گرمایی که یخ را ذوب کرده برابر گرمای رسانش یافته است:

Δ θ = 100 ° C, A = 4 c m^{2} = 4 \times 10^{- 4} m^{2}

L = 1 m, t = 60 m = 3600 s

m = 30 g = 3 \times 10^{- 2} k g

\frac{Q}{t} = k \frac{A Δ θ}{L} \Rightarrow Q = k \frac{A t Δ θ}{L} = m L_{F}

3 \times 10^{- 2} \times 336000 = k \times \frac{4 \times 10^{- 4} \times 3600 \times 100}{1}

\Rightarrow k = 70 \frac{W}{m K}

دمای محل اتصال:

اگر دو میله به طول‌های

L_{A}

L_{B}

که سطح مقطع آنها

A_{A}

A_{B}

باشد را به یکدیگر متصل کنیم و آنها را بین دو منبع گرمایی با دماهای

T_{H}

T_{L}

قرار دهیم، بعد از رسیدن به حالت پایدار، آهنگ رسانش گرمایی در دو میله یکسان می‌شود (

H_{A} = H_{B}

). اگر دمای محل اتصال دو میله

T_{x}

باشد خواهیم داشت:

k_{A} \frac{A_{A} (T_{H} - T_{x})}{L_{A}} = k_{B} \frac{A_{B} (T_{x} - T_{L})}{L_{B}}

ریاضی 86 خارج کشور

4 یک سر میلۀ آهنی به طول $16 c m$ را به یک سر میله‌ای مسی به طول $20 c m$ جوش داده‌اند. سر آزاد میلۀ آهنی را در آب جوش $100 ° C$ و سر دیگر میلۀ مسی را در مخلوط آب و یخ با دمای صفر درجۀ سلسیوس قرار می‌دهند. دمای نقطۀ اتصال دو میله چند درجۀ سلسیوس است؟ (سطح مقطع هر دو میله یکسان است و سطح جانبی هر دو میله عایق پوش است.) ( $k_{مس} = 400 \frac{W}{m . K}$ و $k_{آهن} = 80 \frac{W}{m . K}$ )

$30$
$15$
$20$
$25$

پاسخ: گزینۀ 3

A_{آهن} = A_{مس}, H_{آهن} = H_{مس}

k_{آهن} \frac{A_{آهن} (100 - T_{x})}{L_{آهن}} = k_{مس} \frac{A_{مس} (T_{x} - 0)}{L_{مس}}

\Rightarrow 80 \times \frac{(100 - T_{x})}{16} = 400 \times \frac{(T_{x} - 0)}{20}

\Rightarrow T_{x} = 20 ° C

همرفت:

انتقال گرما در مایعات و گازها که معمولاً رساناهای گرمایی خوبی نیستند عمدتاً به روش همرفت، یعنی همراه با جابه‌جایی بخشی از خود ماده، انجام می‌گیرد. این پدیده بر اثر کاهش چگالی شاره با افزایش دما صورت می‌گیرد.

وقتی شاره در تماس با جسمی گرم‌تر از خود قرار گیرد، دمای آن افزایش می‌یابد؛ بدین ترتیب حجم آن زیاد می‌شود، در نتیجه چگالی این قسمت از شاره کاهش می‌یابد و نیروی شناوری (بنا به اصل ارشمیدس) موجب بالا رفتن آن می‌شود. آنگاه مقداری از شارهٔ سردتر اطراف آن، جایگزین شارهٔ گرم‌تر می‌شود که بالا رفته است و این فرایند به همین ترتیب ادامه می‌یابد. گرم شدن هوای داخل اتاق به وسیلهٔ بخاری و رادیاتور شوفاژ، گرم شدن آب درون قابلمه، جریان‌های باد ساحلی، انتقال گرما از مرکز خورشید به سطح آن و ... همگی بر اثر پدیدهٔ همرفت طبیعی رخ می‌دهند.

☑ هرچه ضریب انبساط حجمی شاره‌ها بزرگ‌تر باشد، افزایش حجم بر اثر افزایش دمای یکسان، بیشتر و چگالی، کمتر می‌شود و بنابراین جریان‌های همرفتی به سهولت بیشتری ظاهر می‌شوند. همچنین هرچه چسبندگی شاره کمتر باشد این جریان‌های همرفتی راحت‌تر انجام می‌شوند.

☑ در طول روز زمین ساحل گرم‌تر از آب دریاست و پدیدۀ همرفت موجب نسیمی از سوی دریا به سمت ساحل می‌شود.

☑ در طول شب زمین ساحل سرد‌تر از آب دریاست و پدیدۀ همرفت موجب نسیمی از سوی ساحل به سمت دریا می‌شود.

نوع دیگری از همرفت، همرفت واداشته است که در آن شاره به کمک یک تلمبه (طبیعی یا مصنوعی) به حرکت واداشته می‌شود تا با این حرکت، انتقال گرما صورت پذیرد. سیستم گرم کنندهٔ مرکزی در ساختمان‌ها، سیستم خنک کنندهٔ موتور اتومبیل و نیز گرم و سرد شدن بخش‌های مختلف بدن بر اثر گردش جریان خون در بدن مثال‌هایی از انتقال گرما به روش همرفت واداشته هستند.

تألیفی

5 کدام گزینه درست است؟

پدیدۀ همرفت بر اثر کاهش چگالی شاره با افزایش دما صورت می‌گیرد.
هرچه ضریب انبساط حجمی شاره‌ها کوچک‌تر باشد، جریان‌های همرفتی راحت‌تر انجام می‌شوند.
پدیدۀ همرفت در طول روز موجب نسیمی از سوی ساحل به سمت دریا می‌شود.
گردش جریان خون در بدن نمونه‌ای از همرفت طبیعی است.

پاسخ: گزینۀ 1

گزینۀ 2: هرچه ضریب انبساط حجمی شاره‌ها بزرگ‌تر باشد، افزایش حجم بر اثر افزایش دمای یکسان، بیشتر و چگالی، کمتر می‌شود و بنابراین جریان‌های همرفتی به سهولت بیشتری ظاهر می‌شوند.
گزینۀ 3: در طول شب زمین ساحل سرد‌تر از آب دریاست و پدیدۀ همرفت موجب نسیمی از سوی ساحل به سمت دریا می‌شود.
گزینۀ 4: گردش جریان خون در بدن نمونه‌ای از همرفت واداشته است زیرا در آن خون به کمک یک تلمبه طبیعی (قلب) به حرکت واداشته می‌شود.

تابش گرمایی:

اجسام در هر دمایی امواج الکترومغناطیسی از خود گسیل می‌کند. این امواج الکترومغناطیسی می‌توانند باعت انتقال گرما شوند. به این روش از انتقال گرما تابش گرمایی می‌گوییم. در انتقال گرما به روش تابش گرمایی برخلاف روش همرفت و رسانش گرمایی نیازی به محیط مادی نیست. تابش گرمایی در دماهای زیر حدود

500 ° C

عمدتاً به صورت تابش فروسرخ است که نامرئی است. برای آشکارسازی تابش‌های فروسرخ از ابزاری موسوم به دمانگار استفاده می‌کنیم و به تصویر به‌دست آمده از آن دمانگاشت می‌گوییم. در این تصاویر رنگ‌ها نمادین است و ناحیه‌های گرم‌تر با رنگ قرمز و ناحیه‌های سردتر با رنگ آبی مشخص می‌شوند.

تابش گرمایی از سطح جسم علاوه بر دما به مساحت، میزان صیقلی بودن و رنگ سطح آن جسم بستگی دارد. هرچه دما و مساحت جسم بیشتر باشد تابش گرمایی بیشتری دارد. سطوح صاف و درخشان با رنگ‌های روشن تابش گرمایی کمتری دارند، در حالی که تابش گرمایی سطوح تیره، ناصاف و مات بیشتر است.

☑ اجسام تیره هم تابش گرمایی بالاتری نسبت به اجسام روشن دارند هم جذب گرمایی بالاتری.

تابش گرمایی در پدیده‌های زیستی:

1)

نوعی از مارهای زنگی اندام‌هایی حفره‌ای بر روی پوزهٔ خود دارند که نسبت به تابش فروسرخ حساس‌اند. این مارها اغلب در سیاهی شب شکار می‌کنند. در واقع اندام‌های حفره‌ای به آنها کمک می‌کند که طعمه‌های خونگرم خود را به واسطهٔ تابش فروسرخ‌شان در تاریکی و سرمای شب مشاهده کنند.

2)

کلم اسکانک یکی از چندین گیاهی است که می تواند دمایش را تا بیشتر از دمای محیط بالا ببرد. این نوع کلم به خاطر بالا رفتن دمایش، انرژی خود را از طریق تابش فروسرخ از دست می‌دهد و می‌تواند برف اطرافش را در زمستان آب کند.

تف‌سنجی:

از تابش گرمایی می‌توان به عنوان مبنایی برای اندازه‌گیری دمای اجسام استفاده کرد. به روش‌های اندازه‌گیری دما مبتنی بر تابش گرمایی، تف‌سنجی و به ابزارهای اندازه‌گیری دما به این روش، تف‌سنج می‌گویند. تف‌سنج بر خلاف سایر دماسنج‌ها بدون تماس با جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، دمای جسم را اندازه می‌گیرد. تف‌سنجی، به خصوص در اندازه‌گیری دماهای بالای

1100 ° C

اهمیت ویژه‌ای دارد. تف‌سنجِ تابشی و تف‌سنجِ نوری، تف‌سنج‌هایی برای اندازه‌گیری این دماها هستند و تف‌سنجِ نوری به عنوان دماسنج معیار برای اندازه‌گیری این دماها انتخاب شده است.

تألیفی

6 کدام گزینه نادرست است؟

برای آشکارسازی تابش‌های فروسرخ از ابزاری موسوم به دمانگار استفاده می‌کنیم و به تصویر به‌دست آمده از آن دمانگاشت می‌گوییم.
تابش گرمایی از سطح جسم با مساحت آن نسبت مستقیم و با میزان تیرگی آن نسبت عکس دارد.
در انتقال گرما به روش تابش گرمایی برخلاف روش همرفت و رسانش گرمایی نیازی به محیط مادی نیست.
برای اندازه‌گیری دماهای بالای
$1100 ° C$
از تف‌سنج استفاده می‌کنیم.

پاسخ: گزینۀ 2

تابش گرمایی از سطح جسم با میزان تیرگی آن نسبت مستقیم دارد. یعنی هرچه جسم تیره‌تر باشد تابش گرمایی بیشتری دارد.

تألیفی

7 انتقال گرما در جامدات به صورت ............ ، در مایعات و گازها عمدتاً به صورت ............ و در خلاء به صورت ............ انجام می‌شود.

همرفت _ تابش گرمایی _ رسانش گرمایی
تابش گرمایی _ همرفت _ رسانش گرمایی
رسانش گرمایی _ تابش گرمایی _ همرفت
رسانش گرمایی _ همرفت _ تابش گرمایی

پاسخ: گزینۀ 4

0 رای 
دفتر 
نظر 

بعدی قبلی

هیچ نظری ثبت نشده

×

اندازه‌گیری
کار و انرژی
ویژگی‌های ماده
گرما
ترمودینامیک
الکتریسیته ساکن
جریان الکتریکی و مدار
مغناطیس
القای الکترومغناطیسی
حرکت شناسی
دینامیک
نوسان و موج
برهم کنش‌های موج
فیزیک اتمی
فیزیک هسته‌ای
مفاهیم ریاضی

حمایت مالی

حمایت مالی داوطلبانه و اختیاری

فیزیک

جستجوی درسنامه

جستجوی پیشرفتۀ تست

فیزیک

گرما

روش‌های انتقال گرما

رسانش گرمایی:

آهنگ رسانش گرمایی:

دمای محل اتصال:

همرفت:

تابش گرمایی:

تابش گرمایی در پدیده‌های زیستی:

1)

2)

تف‌سنجی:

حمایت مالی