دانلود تحقیق چرا آموزش گرما برای ما جالب است ؟

نگاهی به رشد جمعیت نشان می دهد که آهنگ ازدیاد جمعیت در طی هزاران سال به کندی صورت می گیرد, حال آنکه از سالهای 1750 به بعد بر شماره افراد بشر به سرعت افزوده می شود . این افزایش ناشی از تاثیری است که علم و صنعت بر سرنوشت آدمی گذاشته است . قرن هیجدهم دوره انقلاب صنعتی بوده . علوم طبیعی که وارد عصر تجدد شده بود , اثرات خود را بر زندگی انسان ظاهر می نمود . پیشرفتهای پزشکی عمرها را دراز کرد و در نتیجه بر تعداد مردم افزود . تکنیک امکان داد, تا برای جمعیت به سرعت روز افزون مواد خوردنی و پوشیدنی تهیه شود. یکی از ثمرات مهم این پیشرفت ساختمان ماشیهای پر قدرت بخار بود که تحقیق یافت. این نوع ماشینها در سالهای 1370 ابتدا در انگلستان ساخته شد به این منظور که آبهای رخنه کرده را با پمپ از معادن خارج کنند. این ماشینهای پر سرو صدا در ابتدای امر طبعاً مقداری هنگفت جسته و سنگ می بلعیده که برای تهیه آن باز نیروهای انسانی می بایست به کار رود . در آن هنگام جسته و گریخته این سئوال پیش می آید که : آیا ساختن ماشین بخار می تواند در امر اقتصاد عملی و مقرون به صرفه باشد ؟چون همان طور که در مورد این ((ماشینهای جهنمی )) مزاح می کرده اند برای جا دادن این ماشینها نخست لازم بود که محوطه ای را بکنند و سپس تازه کار حفاریهای اصلی را آغاز کنند . مختصر اینکه بالا بردن کیفیت ماشینهای مزبور یک مسئله حاد و فوری روز شده بود  جیمز وات انگلیسی موفق شد در این راه قدمی قاطع بردارد. وی در سال 1769 ماشین بخاری ساخت که برای نخستین بار حقیقتاً یک ماشین پرقدرت بود . این ماشین در ازای هر تن زغال که مصرف می کرد پنچ برابر ماشینهای قبلی کار انجام می داد . عصر ماشین طلوع کرده بود به دنبال این طلوع فکر و سرعت صنعتی کردن بر اهمیت ماشین بخار افزود و وجود این نوع ماشینها را برای امر اقتصاد یک عامل حیاتی ساخت . بازده کارها براثر اختراعات جدید همواره بیشتر می شد و رفته رفته این سئوال پیش می آمد که : این بهتر کردن ها سرانجام به کجا خواهد کشید  آیا به مرزی می رسد که گذشتن از آن , به علت طبیعت چیزها , غیر ممکن گردد ؟ اما پیش از آنکه به پاسخ این سئوال برسند لازم بود که بسیاری ازمسائل مبهم فیزیکی را روشن نمایند: گرما چیست ؟ گرما را چگونه می توان اندازه گرفت  ارتباط گرما با انرژی به چه صورت است ؟ پاسخ این پرسشها در طور قرن نوزده داده شد . آموزش گرما , تقریباً همزمان با آموزش الکتریسیته , تا آن وقت رشد یافته و یک بخش مهم علم فیزیک شده بود . ولیکن علم شیمی هم به نوبه خود پیشرفت کرده بود و اتم را از حالت افسانه ای بیرون می آورد و به صورت یک واقعیت علمی می نمود . اینک از پدیده های طبیعت یک منظره جدید به چشم می خورد . ولیکن در این میان معلوم شد که گرما را نمی توان از طریق کار متناوب ماشینها یکسره به کار مبدل کرد چه انکه بخشی از این گرما به صورت ((اتلاف )) الزاماً به محیط تحویل می شود . در واقع بر اثر همین اتلاف گرما است که میزان انرژی مصرفی امروزه بسیار بالاست و با موانع بی شمار مواجه است . پایه های فنی نیروگاه های جدید نیز بر آموزش گرما نهاده شده است . خواه نیروگاههای سوختی و خواه نیروگاههای اتمی که تا چند سال آینده بخشی از انرژی مصرفی را باید تامین کنند , هر دو نوع با ماشینهای نیرو عمل می کنند , و کارشان تماماً بر اساس قوانین آموزش گرما صورت می گیرد . بدون اطلاع از پایه های آموزش گرما امکان ندار که بتوان به مشکلات انرژی عصر حاضر پی برد .

1-جنبش گرمایی مولکول ها

ما تا کنون فقط به ساختمان ماده پرداختیم . اما وارد این موضوع نشدیم که در فرایند گرم شدن یک جسم چه اتفاقی در جسم روی می دهد و وجه تمایز بین یک جسم سرد و جسم گرم چیست ؟ پاسخ این پرسشها را به کمک میکروسکوپهای الکترونی اختراع شده امروزی به آسانی می توان داد همین قدر کافی است که یک قطعه بلور را که تصویر اتماهایش زیر میکروسکوپ میلیونها بار بزرگ می شوند گرم بکنیم و زیر میکرسکوپ قرار بدهیم در این صورت می بینیم که لرزشهای خفیف تصاویر اتمی شدت می یابد و هر قدر بلور گرم تر شود بر شدت این لرزشها نیز افزوده خواهد شد به این ترتیب اتمهای بلور بر اثرگرما حرکات بی قاعده و نا منظم از خود ظاهر می سازند بنابراین لرزشهای تصاویر اتمی بر صفحه میکروسکوپ از نقص دستگاه ناشی نمی شود بلکه از یک پدیده اساسی سر چشمه می گیرد و معرف (( جنبش گرمایی )) اتما و مولکول ها است . این حرکات را به ویژه در مایعات به روشنی می توان مشاهده کرد . مثلاً اگر چند قطره مرکب را در آب بریزیم حتی با کمک یک میکروسکوپ عادی نیز می توانیم حرکات بی قاعده ذرات سیاه و معلق مرکب را در آب مشاده کنیم . این پدیده که (( حرکت براونی )) خوانده میشود , 150 سال پیش توسط رابرت برون گیاه شناس انگلیسی به هنگام آزمایش میکروسکوپی هاگها و نطفه ها کشف شد .شناسایی علت این قسم حرکات مدتها به طول انجامید و کلیه توجیهاتی که قبلاً در این خصوص داده می شد اقناع کننده نبود . ابتدا در قرن ما معلوم شد که در اینجا مسئله برسر جنبش گرمایی مولکولهای مایعات است . در همان حال که مولکول های آب ضربه های بی قاعده بر ذرات معلق مرکب وارد می آورند تاثیر این ضربه ها گاهی به این سو و گاهی به آن سو می چربد و در نتیجه ذرات مرکب به این طرف نوسان می کنند . حرکات براونی با گذشت زمان خفیف نمی شود ماهها و سالها و حتی تا مدتی نا محدود ادامه  دارد چه آنکه شر چشمه این قسم حرکت که همان جنبش گرمایی است همیشه هست . اتمها و مولکولهای مواد دائماً حرکات گرمایی بی قاعده ظاهر می کنند .پس جنبش گرمایی فقط با گرم شدن ماده به وجود نمیآید بلکه همواره وجود دارد – در جسمهای سرد خفیف تر و در جسمهای گرم شدیدتر از این رو می توانیم بگوییم که : دمای یک جسم مقیاسی برای جنبش گرمایی اتمهای جسم است . ما این توضیح دمایی را پایه مطالعات بعدی قرار می دهیم . چنانچه فرضیه ما درست بوده باشد توصیف دما بر مینای جنبش گرمایی نیز در هر وضعی می باسد برای ما ممکن باشد . پس بر اساس تصور خود قادر به پیشگوییهایی خواهیم بود که از بوته امتحان درست بیرون بیاید . یک مثال ساده : فرض می کنیم جسمی روی یک سطح زبر سر بخورد . حال اگر فرضیه ما درست باشد درجسم چه تغییری بروز می کند ؟در واقع به علت زبر بودن سطح مولکولهای سطح مشترک به یک طرز بی قاعده به نوسان در می آیند و این نوسانها از طریق مولکولهای همجوار کم کم به مولکولهای دیگر جسم سرایت خواهند کرد . از این رو می توان انتظار داشت که حرکت کم و بیش منظم اولیه مولکولها که بر اثرسر خوردن جسم پدید آمده است به یک حرکت گرمایی مبدل گردد. پس جسم رفته رفت باید به حالت سکون در آید و در ضمن گرم شود. در واقع نیز همین وضع مشاهده می شود و پیشگویی ما با تجربه وفق می دهد .جنبش گرمایی بسیاری از مشاهدات دیگر را نیز به روشنی توجیه میکند. از جمله این مشاهدات در مورد آمیخته شدن دو ماده است . دو ماده مختلف در صورتی با هم آمیخته خواهندشد که هیچ نوع سیلان یا حرکت محسوس دیگر در سطح تماس این دوماده داخل نشود . این امیزش به پدیده پخش موسوم است . حال اگر یک قشری از بخار برم قرار گرفته باشد آن چنان که صفه ای این دو قشر را از یکدیگر جدا سازد چنانچه صفحه مزبور را از جای خود خارج کنند ذرات سرخ رنگ برم با ذرات هوا آمیخته خواهند شد . علت این تداخل در واقع جنبشهای گرمایی است به این معنا که حرکات بی قاعده و بی وقفه مولکولها موجب می شود که هوا و بخار برم با یکدیگر در هم آمیزند . پدیده پخش در مایعات و حتی در اجسام جامد نیز وجود دارد . انبساط هوای جو نیز از جنبشهای گرمایی ناشی می شود چه آنکه اگر جنبش گرمایی وجود نمی داشت هوای جو براثر نیروی گرانشی به صورت قشری و غلیظ که ضخامت آن از 10 متر تجاوز نمی کرد کره زمین را در بر می گرفت.

2-انبساط گرمایی دما سنج

یک فیزیکدان شدت جنبش گرمایی را مقیاسی برای دما می داند . حال آنکه در زندگی روز مره درجه بندی دما را به منظور تسهیل اندازه گیریها از قبل تثبیت می کنند . تقریباً همه اجسام بر اثر گرما منبسط می شوند زیرا که بر اثر تشدید جنبشهای گرمایی مولکولهای جسم به یک فضای نسبتاً بزرگتر نیاز دارند . پس انبساط گرمایی هم می تواند برای دما مقیاسی باشد و به منظور ساختمان دما سنجها مفید واقع شود .درجه بندی دما به صورتی که امروزه متدوال است از طرف آندرس سلسیوس اختر شناس سوئدی پیشنهاد شد و به همین مناسبت درجه سیلسیون خوانده کی شود . درجه بندی مزبور به طریق زیر انجام می شود : ابتدا دما سنج جیوه ای را در مخروطی از آب و یخ فرو برده نقطه صفر درجه سانتیگراد را معین می کنند . بعدهمین دما سنج را در آب جوش برده محل دمای 100 درجه سانتیگراد را علامت می گذارند. حال فاصله بین دو علامت صفر و صد دریجه سانتیگراد را به صد جزء مساوی تقسیم کرده درجه بندی دما سنج را مشخص می کنند . درجه سلسیوس را ما ذیلاً با حرف یونانی تتا ( )نمایش می دهیم . جیوه در واقع هیچ امتیازی بر دیگر مایعات ندارد جز آنکه در سرمای زمستان و گرمای تابستان همواره حالت مایع بودن خود را حفظ می کند و به کار بردن آننیز به همین ملاجظه است .اینک ثبت درجات دما به ما امکان می دهد که اندازه انبساط اجسام را به کمک ازدیاد دما معین کنیم . برای این منظور از دستگاه زیراستفاده می کنیم. لوله یک متری از جنس ماده مورد نظر از یک سر به گیره ای محکم بسته سر دیگر لوله را به عقربه سنجش وصل می کنیم .حال مقداری بخار یا آب جوش از لوله مزبور می گذرانیم و در ضمن تغییر طول لوله را از روی درجاتی که عقربه نشان می دهد می خوانیم این آزمایش ما را به این نتیجه می رساند که برای هر 10 درجه سانتیگراد ازدیاد دما افزایش طول لوله بین 1/ تا 2/ میلیمتر واقع است . این مقدار البته به نظر بسیار کم می آید .ولیکن باید توجه داشت که دمای یک پل می تواند بر اثر گرمای هوا 40 دریجه سانتیگراد برسد به طوری که تغییر طول مربوط به این دما برای پلها خاصه پلها کارگذارده می شود .به منظور جلوگیری از همین خطرات است .از تفاوت انبساط گرمایی فلزات استفاده می کنند و دما سنج های دو فلزی را می سازند . دو نوار فلزی مثلاً یکی از آهن و دیگری از برنج را گرفته به هم جوش می دهند . حال این دو نوار بر اثر بالا رفتن دما هر یک به میزانی معین خم می شود و هر قدر گرما افزایش یابد خمیدگی نسبی این نوراها هم بیشتر خواهد شد . نوراهای دو فلزی را عموماً در مدارهای الکتریکی به جای کلید قطع و وصل جریان کار می گذارند . از جمله موارد استعمال این کلیدها در ترموستاتها است که دمای دستگاه مرکزی را به طرز خودکار تنظیم می کند .انبساط گرمایی طول ,تغییر حجم را نیز همراه دارد . در نمودار ترسیمی زیر درصد تغییر حجم بعضی از مواد که از 0 تا 100 گرم شده اند داده شده است.اندک بودن انبساط گرمایی اجسام جامد به خصوص قابل ذکر ست البته اگر با انبساط گرمایی مایعات و گازها مقایسه شود .نکته دیگر اینکه یکسان بودن انبساط گرمایی تقریباً همه گازهای بسیار به چشم می خورد . و این طبعاً در صورتی است که فشارحاکم بر گاز ثابت بماند .

چرا مایعات بیش از اجسام جامد منبسط می شوند ؟تصور ما از ساختمان ماده به این معنا که مولکولها یکدیگر را با ضرباتی شدیدتر می رانند . به عبارت دیگر نیروهای ربایش بین مولکولی باید به نحوی خنثی شوند . اما این رانش آسانتر انجام می گیرد اگر این نیروهای ربایش بین مولکولی ضعیف تر باشند . و چون مولکولهای یک مایع به نحوی ضعیف تر به یکدیگر اتصال دارند تا اتمهای استوار جای گرفته در یک جسم جامد . به همین دلیل مایعات بر اثر گرما بیش از اجسام جامد منبسط می شوند. خلاصه بگوییم : انبساط گرمایی یک جسم جامد یا یک جسم مایع زاییده تاثیر متقابل نیروهای بین مولکولی و جنبش گرمایی مولکولها است . هر قدر نیروهای مولکولی ضعیف تر باشند این انبساط بیشتراست .