تعادل گرمایی - آموزش تصویری - زبان ساده
موارد زیر مکمل هم هستند. برای یادگیری پایدار، از همه آنها استفاده کنید:
1- متن را بخوانید
2- در آزمون شرکت کنید
توضیح بیشتر: دکمه راهنما در نوار بالایی را کلیک کنید .
1 - تعادل گرمایی و دمای تعادل
هرگاه دو یا چند جسم با دماهای متفاوت، در تماس کامل با یکدیگر قرار گیرند. بین آنها آنقدر گرما مبادله می شود که به دمای یکسانی برسند. به این دما، دمای تعادل و به این وضعیت، تعادل گرمایی می گویند
هنگامی که اجسام با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند، اگر در تماس کامل با یکدیگر قرار گیرند، دمای آن ها تغییری نمی کند.
- قبل از آنکه اجسام به تعادل گرمایی برسند، دمای اجسام گرمتر پایین میآید و سرد میشود. در عوض، دمای اجسام سردتر بالا میرود و گرم میشود. این تغییر دما تا جایی ادامه مییابد که دمای اجسام یکسان شود.
- بعد از آنکه اجسام به تعادل گرمایی رسیدند، دمای آنها باهم برابر است و تغییر نمی کند. در این صورت هیچ گرمای خالصی بین آنها مبادله نمی شود.
- دمای تعادل دمایی است که اجسام در نهایت به آن می رسند. بنابراین در فرمول ها به جای دمای ثانویه قرار می گیرد.
- در مبحث تعادل گرمایی، گرمای مبادله شده فقط بین اجسام مورد بحث، مبادله می شود. یعنی گرمایی با محیط، مبادله نمی شود. برای این کار باید اجسام را عایق بندی کرد.
2 - محاسبه دمای تعادل
قبل از برقراری تعادل گرمایی، برخی از اجسام گرما از دست می دهند( Q منفی) و برخی دیگر همان گرما را به دست می آورند( Q مثبت). بنابراین، گرمای مبادله شده با بیرون صفر است. در نتیجه به فرمول اصلی تعادل گرمایی می رسیم. که در شکل روبرو نشان داده شده است.
مقداری آب و یخ در یک ظرف می ریزیم. سپس یک گلوله مسی داغ در آن ظرف می اندازیم. فرض کنید یخ مقدار 200 ژول گرما به دست آورد. و گلوله نیز 300 ژول گرما از دست بدهد در این صورت آب چه مقدار انرژی گرمایی به دست آورده یا از دست می دهد( ظرف برای عایق بندی است و گرما مبادله نمی کند).
چون یخ گرما گرفته پس علامت + قرار دادیم. اما مس گرما از دست داده علامت - قرار دادیم. پس از محاسبه، مشخص شد که برای آب Q=100J چون علامت آن مثبت است، یعنی اینکه آب 100 ژول گرما دریافت کرده است.
توجه: اگر شرایط اولیه چند جسم را داشته باشیم، می توانیم با فرمول روبرو دمای تعادل را حساب کنیم. دراین فرمول یکای جرم نیاز نیست کیلوگرم باشد اما باید برای همه اجسام، یکسان باشد. منظور این است که می توان همه آنها را بر حسب گرم بیان کرد. اما نمی توان جرم یک جسم کیلوگرم و دیگری گرم باشد. پیشنهاد ما این است که همه را به یکای استاندارد SI یعنی کیلوگرم تبدیل کنید. تا دچار شک و تردید نشوید.
فراموش نکنیم که نمی توان همیشه چنین کاری انجام داد. به عنوان نمونه قبلا گفتیم در فرمول Q = mc∆T جرم، حتما باید کیلوگرم باشد. یعنی نمی توان آن را بر حسب گرم جایگذاری کرد.
درون یک ظرف عایق بندی شده، یک قطعه نیم کیلویی سرب با دمای 20 درجه سلسیوس و یک قطعه 800 گرمی فولاد با دمای 70 درجه سلسیوس قرار می دهیم. دمای تعادل چند درجه سلسیوس می شود. گرمای ویژه سرب را 130 و فولاد 450 در SI در نظر بگیرید
جرم سرب بر حسب کیلوگرم و جرم فولاد بر حسب گرم بیان شده است. همه را به کیلوگرم تبدیل می کنیم. یعنی بر 1000 تقسیم می کنیم. بنابراین 800 گرم برابر 0.8 کیلوگرم است.
توجه: اگر هیچ یک از مواد، تغییر حالت ندهند می توان از فرمول روبرو استفاده کرد. در این صورت مستقیما به جواب می رسید. سعی کنید مثال قبل و مثال بعد را با این فرمول حل کنید.
در یک ظرف عایق بندی شده، مقدار 2 کیلوگرم آب 30 درجه سلسیوس و یک قطعه 500 گرمی مس با دمای 200 درجه سلسیوس و یک ماده نامعلوم با جرم 3 کیلوگرم و دمای 60 درجه سلسیوس وجود دارد. پس از مدتی به دمای تعادل 40 درجه سلسیوس می رسند. گرمای ویژه جسم نامعلوم را حساب کنید. گرمای ویژه آب را 4200 و مس 400 در SI در نظر بگیرید.
در اینجا یکای جرم را که بر حسب گرم بیان شده، بر هزار تقسیم می کنیم تا به کیلوگرم تبدیل تبدیل شود. بقیه مراحل جایگذاری در فرمول و محاسبات ریاضی است.3 - گرماسنج یا کالریمتر چیست؟
گرماسنج یا کالریمتر یک ظرف عایق بندی شده است که باعث می شود اجسام درون آن با محیط، گرما مبادله نکنند. معمولا برای تعیین گرمای ویژه یک جسم نامعلوم بکار می رود. گرماسنج ممکن است دارای دماسنج و همزن و گرمکن نیز باشد.
- گرمکن به این دلیل است که بتوان مواد و اجسام درون گرماسنج را گرم کرد.
- همزن باعث می شود گرما در همه جای آن پخش شود.
- دماسنج نیز برای اندازه گیری دمای درون گرماسنج است.
روش کار با گرماسنج به این صورت است که مقداری آب داخل گرماسنج می ریزند. سپس ماده نامعلوم را داخل آب قرار می دهند، تا به تعادل گرمایی برسند. بعد از آن، از فرمول های بالا استفاده می کنند. به این ترتیب کمیت مجهول حساب می شود.
ممکن است برای گرماسنج، به جای گرمای ویژه، از ظرفیت گرمایی استفاده شود. ظرفیت گرمایی برابر حاصل ضرب جرم جسم در گرمای ویژه است. یعنی C = mc
4 - حل مسائل مربوط به گرماسنج
اگر مثال های قبل را خوب کار کرده باشید در این مبحث هیچ مشکلی نخواهید داشت. کاملا مشابه مثال قبل، عمل می کنیم. اما یک تفاوت جزئی دارد. از آنجایی که گرماسنج یک ماده نیست، یعنی از چند قسمت مانند ظرف و دماسنج و همزن و ... تشکیل شده است. بنابراین به جای گرمای ویژه از ظرفیت گرمایی استفاده می کنند. قبلا گفتیم که C = mc
درون یک گرماسنج با ظرفیت گرمایی 2000J/Kg مقدار 1200 گرم آب می ریزیم. پس از آنکه این اجسام به تعادل رسیدند، دمای آنها 25 درجه سلسیوس می شود.
دوباره یک جسم فلزی با جرم 1800 گرم و دمای 90 درجه سلسیوس را در داخل آب گرماسنج اضافه می کنیم. دمای تعادل جدید برابر 30 درجه می شود. گرمای ویژه و ظرفیت گرمایی فلز را حساب کنید( گرمای ویژه آب4200J/KgC ).
در اینجا دو بار از دمای تعادل استفاده شده است. آنها را با هم اشتباه نگیرید. بار اول وقتی که آب را داخل گرماسنج می ریزیم این دو یعنی آب و گرماسنج به تعادل می رسند. بنابراین دمای آب و گرماسنج با هم یکسان و برابر 25 درجه می شود. این دمای تعادل به عنوان دمای اولیه گرماسنج و آب داخل آن در نظر گرفته شده است.
بعد از آن، فلز را در داخل مجموعه گرماسنج و آب می اندازیم. پس از مدتی دوباره به دمای تعادل جدید می رسند. این دمای تعادل برابر 30 درجه است. حل مسئله از همین جا شروع شده است. به معادلات دقت کنید که در همه آنها سه جسم یعنی گرماسنج و آب و فلز وجود دارد. در واقع زمانی که جسم فلزی به گرماسنج اضافه شده است. حل مسئله نیز شروع شده است.
واضح است که برای محاسبه ظرفیت گرمایی باید جرم را در گرمای ویژه ضرب کنیم.
بخش نظرات