آيا مي دانيد كه چگونه خطاي حواس ما مي تواند باعث نتيجه گيري اشتباه درباره دماي جسم ها شود؟ آزمايشي طراحي كنيد و آن را انجام دهيد كه اين خطا را نمايش دهد. نتيجه آزمايش را براي دوستان خود گزارش كنيد.

ج: سه ظرف محتوي آب با دماهاي مختلف را در نظر مي گيريم. ابتدا يك دست خود را در آب سرد و دست ديگر را در آب گرم قرار مي دهيم و چند دقيقه صبر مي كنيم. سپس دستان خود را خارج كرده و هر دو را وارد ظرف آب ولرم مي كنيم. دستي كه در آب سرد بود آب ولرم را گرم و دستي كه در آب گرم قرار داشت آنرا سرد احساس مي كند. اين آزمايش نشان مي دهد حواس ما در اندازه گيري هاي مختلف مي تواند دچار خطا شود. لذا براي اندازه گيري كميتهاي مختلف بايد از ابزارهاي دقيق تر و مطمئن تري استفاده كنيم.

در توضيح ساختمان دماسنج ديديم كه لوله باريك بايد خالي از هوا باشد. تحقيق كنيد كه وجود هوا در لوله باريك چه اشكالي به وجود مي آورد.

جواب: وجود هوا باعث مي شود كه دماي جسم با مقدار واقعي اندازه گيري نشود.

وسيله هاي آزمايش : يک ظرف شيشه اي نشکن با درپوش چوب پنبه اي يا لاستيکي سوراخ دار ، يک لوله ي شيشه اي باريک و بلند ، چراغ گازي يا الکلي . 
    ١- ظرف شيشه اي را از آب پر کنيد و لوله ي شيشه اي بلند را از سوراخ درپوش بگذرانيد . سپس در را ببنديد . مقداري آب در لوله ي باريک بالا خواهد آمد . ارتفاع آب در لوله را علامت بزنيد 
    ٢- ظرف شيشه اي پر از آب را روي شعله قرار دهيد و تغيير ارتفاع آب در لوله ي باريک را اندازه گيري کنيد . 
    از اين آزمايش چه نتيجه اي مي گيريد ؟ توضيح دهيد که چگونه مي توانيد با در جه بندي لوله ي باريک نتيجه ي آزمايش را به صورت کمّي درآوريد .
    آزمايش هاي ديگري طراحي کنيد و آن ها را انجام دهيد که انبساط مايع ها و جامدها را نمايش دهد . شرح و نتيجه آزمايش را بنويسيد . 

جواب: از اين آزمايش نتيجه مي شود مايعات در اثر گرما انبساط پيدا مي كنند. براي درجه بندي لوله باريك فرض كنيد به ازاي تفزتيش هر 5 درجه دماي آب يك علامت بر روي لوله قرار دهيد. در اين صورت از تقسيم ارتفاع بين دو علامت به عدد 5 نتيجه خواهيد گرفت كه آب در لوله به ازاي افزايش يك درجه دماي آن چند ميلي متر بالا رفته است.

براي نشان دادن انبساط جامدات يك رشته سيم را بين دو نقطه به طور كشيده مي بنديم و از پايين با شعله اي سيم را گرم مي كنيم. مشاهده مي شود سيم شل شده و از حالت كشيده در مي آيد يعني طول آن افزايش پيدا كرده است. يا مطابق شكل (الف) مقابل گلوله اي فلزي و حلقه اي به قطر گلوله را در نظر مي گيريم. هنگامي كه گلوله و حلقه همدما هستند گلوله از حلقه عبور مي كند اما اگر گلوله را گرم كنيم به علت انبساط مجدداً از حلقه رد نخواهد شد.

براي نشان دادن انبساط مايعات نيز مطابق شكل (ب) اگر ظرف محتوي مايع را گرم كنيم مشاهده مي شود ابتدا به علت انبساط ظرف مايع اندكي در لوله پايين مي آيد و سپس به علت انبساط مايع بالا مي رود.

جواب : گسترده قابليت استفاده دماسنج الكلي( 115-) تا (79) و دماسنج جيوه اي( 39-) تا 357 درجه مي باشد كه به ترتيب منطبق با انجماد و جوش در هر يك از دماسنج هاي فوق مي باشد.

پاسخ دهيد 1: آيا مي شود با يك دماسنج الكلي دماي جوش آب را اندازه گيري كرد ؟ توضيح دهيد.

جواب: خير. زيرا دماي جوش آب كه تقريباً 100 درجه است،بالاتر از دماي جوش الكل(‌79 درجه) مي باشد.

تحقيق كنيد در دماهايي كه در گسترده كار دماسنج هاي جيوه اي و الكلي نيستند، دما را چگونه و با چه ابزاري مي توان اندازه گرفت؟

جواب: دماهاي متوسط با وسيله اي بنام ترموكوپل و دماهاي زياد با نورسنج اندازه گيري مي شوند.

ترموكوپل از دو نوار فلزي با جنسهاي متفاوت تشكيل شده است كه مطابق شكل مقابل در اثر ايجاد اختلاف دما بين دو گره آن جريان الكتريكي توليد مي شود. شدت جريان را معياري براي اندازه گيري دماي محيط گرم قرار مي دهند. نورسنج نيز وسيله اي است كه در آن شدت نور كه متناسب با دماي منبع تابش آن است، به علائم الكتريكي درجه بندي شده تبديل مي گردد.

 

جواب: اندازه گيريهاي فوق براي يك روز اواخر پاييز( و براي يك شيفت آموزشي) كه اين قسمت از درس تدريس مي شود، جدول زير را به دست مي دهد. فرض بر اين است كه در اين هنگام وسيله گرمازا در كلاس عمل نمي كند و افزايش دما فقط به دليل حضور شاگردان در كلاي و بالا آمدن خورشيد است.

در صورتيكه اعداد جدول را به صورت نمودار رسم كنيم، نمودار مقابل حاصل مي شود.

 شکل زير يک دماسنج پزشکي را نشان مي دهد . با توجه به شکل تفاوت هايي را که اين دماسنج با دماسنج جيوه ا ي معمولي دارد بيان کنيد

 . 

جواب: دماسنج پزشكي حداكثر تا   43 را مي تواند اندازه بگيرد زيرا دماي بدن انسان امكان ندارد از اين مقدار بيشتر شود و نيز لوله باريك دماسنج پزشكي در نزديك مخزن خود داراي انحنايي است كه از برگشت سريع جيوه به داخل مخزن جلوگيري مي كند تا اندازه گيري دما دقيق تر باشد.

وسيله هاي آزمايش : ليوان - دماسنج - شمع - کبريت - ظرف آب -ميخ .
    ١. ليواني را از آب سرد پر کنيد و دماي آن را توسط دماسنجي درون آن قرار مي دهيد اندازه بگيريد .
    ٢. سکه اي را توسط شعله ي شمع يا چراغ گاز داغ کنيد و آن را درون ليوان بيندازيد .
    ٣. به نحوه ي تغيير دما دقت کرده و آن را ياداشت کنيد .
   ٤. پس از آنکه تغيير دما متوقف شد ، ميخ را از آب درون ليوان بيرون بياوريد .آيا ميخ هنوز داغ است ؟
    ٥. آزمايش بالا را تکرار کنيد . اين بار به جاي داغ کردن ميخ ، آن را براي مدتي حدود يک ربع ساعت درون قسمت يخساز يخچال قرار دهيد تا کاملا" سرد شود . 
نتيجه اين آزمايش را با آزمايش قبل مقايسه کنيد . از اين مقايسه چه نتيجه اي مي گيريد ؟

جواب: هنگامي كه ميخ داغ را درون آب ليوان قرار مي دهيم در اثر مبادله گرمايي، انرژي از ميخ به آب منتقل مي شود. در اثر اين عمل دماي دماسنج پايين آمده و دماي آب بالا مي رود و پس از اندكي هر دو همدما مي شوند. در مرحله دوم آزمايش كه ميخ بر اثر قرار گرفتن در قسمت يخساز يخچال سرد است، انرژي از آب به ميخ منتقل مي شود و اين باردماي ميخ بالا رفته و دماي آب پايين مي آيد و مجدداً پس از اندكي هر دو همدما مي شوند.

نتيجه مهمي كه از اين آزمايش حاصل مي شود آنست كه بين دو جسم بدون توجه به اينكه انرژي دروني كدام يك بيشتر است، انرژي گرمايي همواره از جسمي كه دماي بالاتري دارد به جسمي كه دماي پايين تري دارد منتقل مي شود.

آزمايشي را طراحي كنيد كه در آن دو يا چند جسم غير هم دما در تماس با يكديگر قرار گيرند. دماي تعادل آنها را در وضعيت تعادل گرمايي اندازه بگيريد. روش كار خود را در هر مورد شرح دهيد. همچنين با انجام يك آزمايش تحقيق كنيد كه وقتي دو جسم هم دما در تماس كامل با يكديگر قرار مي گيرند تغيير در دماي آنها روي نمي دهد.

ج: دو تكه كوچك فلزي را همراه با يك دماسنج در داخل يخچال قرار مي دهيمتا دماي آنها در حدود   5 شود. سپس تكه هاي فلزي را وارد ظرف آبي با دماي    30 مي كنيم و آب را به آرامي بهم مي زنيم بعد از اندكي كه تعادل گرمايي ايجاد شد اگر دماي تكه هاي فلزي و آب را اندازه بگيريم مي بينيم هر دو مثلاً  25 هستند. سپس  تكه هاي فلزي را بهم تماس مي دهيم و كمي صبر مي كنيم و مجدداً دماي آنها را اندازه مي گيريم. ملاحظه مي كنيم تغييري در دماي آنها ايجاد نشده است. زيرا قبلاً در داخل آب همدما شده اند.

در مثال قبل اگر به جاي يك جسم با دماي بالا، جسمي با دماي پايين تر از دماي آب را به درون آن بياندازيم، آيا تغييري در انرژي دروني آب  و انرژي دروني جسم صورت مي گيرد؟ انرژي از كدام يك به ديگري منتقل مي شود؟

جواب: با انداختن جسم سردتر از آب به درون آن،دماي جسم بالا مي رود و دماي آب كاهش پيدا مي كند. در اينجا انرژي آز آب به جسم منتقل مي شود و به همان اندازه كه از انرژي دروني آب كاسته مي شود به انرژي دروني جسم اضافه مي گردد.

وسيله هاي آزمايش : ميله ي فلزي - شمع - کبريت .
    ١. يک سر يک ميله ي فلزي را در دست خود نگه داريد و سر ديگرآن را روي شعله بگيريد و چند لحظه صبر کنيد .
    ٢. چه اتفاقي مي افتد ؟ از اين آزمايش چه نتيجه اي مي گيريد ؟

    ٣. اگر سر ميله را به مدت نسبتا" طولاني روي شعله نگه داريد سر ديگر آن که در دست شماست آنقدر داغ مي شود که ديگر نمي توانيد آن را نگه داريد . سر ميله که در دست شما بوده است اين انرژي رااز کجا دريافت کرده است ؟ پاسخ خود را در کلاس به بحث بگذاريد .

جواب 1و2: ابتدا آن سر ميله كه روي شعله است گرم مي شود و اندكي بعد در سر ديگر ميله كه در دست داريم احساس گرما ميكنيم. نتيجه مي شود گرما به طريق رسانش از يك سر ميله به سر ديگر آن منتقل شده است.

3- انتقال گرما بطريق رسانش در جامدات و بخصوص فلزات در اثر ارتعاشات مولكولي آنها صورت مي گيرد. به طوريكه مولكولهاي جسم در اثر دريافت گرما دامنه ارتعاش بيشتري پيدا مي كنند و به مولكولهاي مجاور خود ضربه مي زنند. اين ضربه ها انرژي گرمايي را در طول جسم منتقل مي كنند.

وسيله هاي آزمايش : چند ميله از جنس هاي مختلف .
    چند ميله از جنس هاي متفاوت ، ولي با طول و ضخامت يکسان را مطابق شکل (٢-٢) روي يک سه پايه قرار دهيد . به سر هر ميله چوب کبريتي را به کمک موم بچسبانيد . اکنون سر ديگر هر سه ميله را به طور همزمان توسط شعله ي چراغ گرما دهيد . آنچه را مشاهده مي کنيد توضيح دهيد . 
چوب کبريت هايي که با موم نگه داشته شده اند

شکل ٢-٢- آهنگ رسانش گرما در ماده هاي متفاوت

جواب: گرما بطريق رسانش از آن سر ميله ها كه روي شعله قرار دارند به سر ديگر آنها كه چوب كبريتها قرار دارند شارش مي يابد و پس از مدتي در اثر ذوب شدن موم ها كبريت ها مي افتند. اما زمان اين اتفاق براي همه ميله ها يكسان نيست و ميله هايي كه رسانش گرمايي بهتري دارند كبريت شان زودتر مي افتد. اگر ميله ها به ترتيب شيشه اي و آهني و مسي باشند، چون رسانش گرمايي مس بيشتر از آهن و رسانش آهن بيشتر از شيشه است، ابتدا كبريت ميله مسي و سپس مال آهن و در آخر كبريت ميله شيشه اي مي افتد.

وسيله هاي آزمايش : قطعه يخ - لوله آزمايش - توري فلزي - شمع - کبريت - گيره - ظرف آب .
    ١- قطعه ي يخي را درون يک لوله ي آزمايش قرار دهيد . روي يخ را با يک توري فلزي بپوشانيد به طوري که يخ در ته لوله باقي بماند .
    ٢- لوله را از آب سرد پر کنيد .
    ٣- سر لوله را مطابق شکل ( ٢-٣ ) گرم کنيد .
    ٤- آنچه را مشاهده مي کنيد يادداشت کنيد و براي دوستان خود گزارش کنيد . 

شکل ٢-٣ - آب رساناي خوبي براي گرما نيست .

جواب: پس از مدتي مشاهده مي كنيم كه آب در بالاي لوله مي جوشد اما يخ در پايين آن همچنان باقي مانده است. براي ذوب يخ مدت نسبتاً زيادي را بايد منتظر باشيم. نتيجه اين آزمايش آن است كه رسانش گرمايي آب ضعيف است.

بطور كلي از انجام دو آزمايش 5و6 و انجام آزمايشهايي در مورد رسانش گرمايي گازها نتيجه مي شود رسانش گرمايي فلزات بيشتر از مايعات( مثل آب) و رسانش گرمايي مايعات بيشتر از گازها( مثل هوا) است.

با مراجعه به جدول (2-2) فكر مي كنيد كدام يك از مواد فوق باعث بيشترين اتلاف انرژي هستند؟

جواب: از  جدول فوق نتيجه مي شود شيشه پنجره تك لايه و ديوار آجري يك لايه باعث بيشترين اتلاف انرژي هستند.

 

در آبگرمكن ها چگونه از اتلاف گرماي آب داغ موجود در مخزن جلوگيري مي كنند؟

جواب: مخزن آب را دو جداره مي سازند. در اين صورت لايه هوايي كه مابين مخزن قرار مي گيرد به صورت عايق عمل كرده و از اتلاف گرماي مخزن به مقدار زياد جلوگيري مي كند.

    وسيله هاي آزمايش : ترازو - يک ظرف آب - چراغ الکلي يا گازي - سه پايه و شعله پخش کن - همزن - ظرف شيشه اي نسوز براي گرم کردي آب - دماسنج جيوه اي .
آزمايش زير را با دو نفر از همکلاسان خود به طور گروهي انجام دهيد . 

شرح آزمايش : 
     ١- ابتدا ظرف شيشه اي را روي يک کفه ي ترازو قرار دهيد .
     ٢- سپس مقدار ٢/0 کيلوگرم آب در ظرف بريزيد.
    ٣- اکنون اين ظرف را مطابق شکل (٢-٦) روي سه پايه بالاي چراغ قرار دهيد .
    ٤- آب را با همزن به هم بزنيد و دماي آن را اندازه بگيريد ( ) و يادداشت کنيد . 
    ٥- در يک لحظه ي معين چراغ را روشن کنيد . با همزن آب را به هم بزنيد تا دماي همه ي قسمت هاي آب درون ظرف يکي شود .
    ٦- پس از پنج دقيقه دماي نهايي ( ) را يادداشت کرده و شعله ي چراغ را خاموش کنيد .
    ٧- افزايش دماي حاصل در آب يعني را محاسبه کنيد و آن را با نمايش دهيد . ^٭

	شکل ٢-٦

    ٨- اين آزمايش را تکرار کنيد . . اين بار به جاي ٢/٠ کيلو گرم آب ، ٤/٠ کيلوگرم آب را به همان اندازه ي که در بند ٧ آزمايش قبل به دست آورده ايد گرم کنيد .آيا در اين آزمايش نبايد شعله ي چراغ به مدت بيشتري روشن نگه داريد ؟ (تقريبا" دو برابر ) 
    ٩- بار ديگر آزمايش را تکرار کنيد. اين بار همان ٢/٠ کيلو گرم آب را ولي دماي آن به اندازه يافزايش دهيد . باز هم مي بينيد که مجبوريد شعله ي چراغ را به مدت بيشتري روشن نگه داريد ( تقريبا" دو برابر ) .
    نتيجه ي آزمايش را به کلاس گزارش کنيد . 

* در متن هاي علمي معمولا" اختلاف بين دو مقدار از يک کميت را با نوشتن يک    Δ  در سمت چپ نماد آن کميت نمايش مي دهند ، يعني :

جواب: از انجام اين آزمايش نتيجه مي شود براي اينكه دماي جرم معيني از يك جسم( مثل آب) را دو برابر كنيم و يا اينكه براي رسيدن به دماي معيني جرم جسم دو برابر شود، بايد دو برابر اندازه قبل نيز به جسم گرما بدهيم. به عبارت ديگر گرمايي كه يك جسم مي گيرد يا از دست مي دهد تا به اندازه معيني دماي آن تغيير كند، متناسب است با جرم جسم و تغيير دماي آن يعني:

m جرم جسم-    تغيير دماي جسم و Q گرمايي است كه جسم مي گيرد و يا از دست مي دهد.

آزمايش ٧ را با با ٢/٠ کيلوگرم آب خالص تکرار کنيد و دماي آب را به اندازه ي  ؛ C ١٠ افزايش دهيد . مدت زماني که لازم است ظرف آب را روي شعله ي چراغ نگه داريد ياد داشت کنيد .
    ٢. بار ديگر آزمايش را تکرار کنيد . اين بار نخست دو قاشق نمک در آب بريزيد و آن را خوب به هم بزنيد تا نمک کاملا" در آب حل شود . مدت زمان لازم براي افزايش دماي  ٢/٠ کيلو گرم آب نمک به اندازه ي10C را اندازه بگيريد . 
    ٣. دو آزمايش را با هم مقايسه کنيد. از اين مقايسه چه نتيجه اي مي گيريد؟
    نتيجه را در کلاس با دوستان خود به بحث بگذاريد .

جواب: با افزودن نمك به آب ملاحظه مي شود مدت زمان كمتري و در نتيجه گرماي كمتري لازم است تا دماي آب به    5 برسد. به عبارت ديگر نمك يا ساير ناخالصيها باعث تغيير گرماي ويژه آب و كاهش آن مي شود.