دما و گرمافیزیک دهم

گرما و دمای تعادل

گرما و چگونگی محاسبه دمای تعادل

گرما و دمای تعادل :

ph10 s4 garma taadol 00 گرما و دمای تعادل

گرما : مقدار انرژی منتقل شده بر اثر اختلاف دما را گرما گویند.

توجه کنید که اشاره کردن به گرمای موجود در یک جسم اشتباه است. گرما مربوط به انرژی در حال گذار است. بنابراین عبارت هایی مانند گرمای یک جسم، نادرست است. گرما را با نماد Q نشان می دهند و یکای آن ژول (J) است. یکای دیگر گرما کالری است که د ر موارد خاصی از آن استفاده می شود. ( هر یک کالری برابر ۴٫۱۸۶۰  ژول است.)

وقتی دو جسم سرد و گرم در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، از دیدگاه میکروسکوپی، آنچه که اتفاق می افتد کاهش انرژی های جنبشی و پتانسیل مربوط به حرکت های کانوره ای اتم ها، مولکول ها و سایر اجزای میکروسکوپی داخل جسم گرم، و افزایش همین انرژی ها در داخل جسم سرد است تا آنگه دو جسم به تعادل گرمایی برسند.

ph10 s4 garma taadol 01 1 گرما و دمای تعادل

ظرفیت گرمایی : مقدار گرمای داده شده به یک جسم برای اینکه دمایش یک درجه کلوین ( یک درجه سلسیوس) افزایش یابد را، ظرفیت گرمایی یک جسم گویند. ظرفیت گرمایی به جنس و جرم آن بستگی دارد و یکای آن J/K است.

به طور مثال اگر گفته شود ظرفیت گرمایی یک جسم ۲۰۰۰ J/K است، یعنی اگر به آن جسم ۲۰۰۰ ژول گرما بدهیم، دمای آن یک درجه کلوین افزایش می یابد. ظرفیت گرمایی را با C ( حرف بزرگ انگلیسی) نشان می دهیم.

ph10 s4 garma taadol 02 گرما و دمای تعادل

گرمای ویژه : مقدار گرمایی است که باید به یک کیلوگرم از آن جسم داده شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس یا کلوین افزایش یابد. گرمای ویژه را با c (حرف کوچک انگلیسی) نشان می دهند.

ph10 s4 garma taadol 03 گرما و دمای تعادل

که یکای آن  (J/kg.K) است. گرمای ویژه یک جسم به جنس ماده تشکیل دهنده آن بستگی دارد.

با توجه به روابط ظرفیت گرمایی و گرمای ویژه خواهیم داشت :

ph10 s4 garma taadol 04 گرما و دمای تعادل

و برای بدست آوردن گرمای منتقل شده ( به شرط اینکه جسم تغییر حالت ندهد،) از رابطه زیر استفاده می کنیم:

ph10 s4 garma taadol 05 گرما و دمای تعادل

مثال ۱: دمای ۲ کیلوگرم آب را از ۸۰ درجه سلسیوس به ۲۰ درجه سلسیوس می رسانیم. مقدار گرمایی که آب در این فرایند از دست می دهد، را بیابید. ( گرمای ویژه آب  ۴۱۸۷ J/kg.K است.)

حل مثال ۱:

ph10 s4 garma taadol 06 گرما و دمای تعادل

مول و عدد آووگادرو : یک مول از هر ماده به معنای ۶٫۰۲×۱۰۲۳ از اجزای سازنده آن ماده است. که به آن عدد آووگادرو گفته می شود. مثلا یک مول آلومینیوم به معنای ۶٫۰۲×۱۰۲۳  اتم آلومینیوم است و یک مول آلومینیوم اکسید به معنای ۶٫۰۲×۱۰۲۳   مولکول آلومینیوم اکسید است. بدیهی است که اگر جرم نمونه ای از ماده را با m و جرم یک مول از ماده را با M (که موسوم به جرم مولی است) نشان دهیم، داریم :

ph10 s4 garma taadol 07 گرما و دمای تعادل

که در آن n بر حسب مول (mol)، m بر حسب کیلوگرم (kg) و M بر حسب کیلوگرم بر مول (kg/mol) است.

گرمای ویژه مولی : مقدار گرمایی که باید به یک مول از یک ماده داده شود تا دمای آن یک درجه کلوین افزایش یابد را گرمای ویژه مولی گویند. و یکای آن (J/mol.K) است.

قاعده دولن و پتی : گرمای لازم برای بالابردن دمای یک مول از هر یک از فلزهای مختلف، مقدار یکسانی است و به جنس آن ها بستگی ندارد.

دمای تعادل : اگر دو یا چند جسم با دماهای مختلف در تماس با یکدیگر قرار گیرند، پس از مدتی همدما می شوند، یعنی دمای آن ها به مقدار یکسانی می رسد. به این دما، دمای تعادل می گویند که می توان با استفاده از قانون پایستگی انرژی، آن را محاسبه کرد.

اگر دو جسم با دماهای مختلف در تماس با هم باشند و مجموعه با محیط اطراف تبادل گرما نداشته باشد (اگر مجموعه با محیط تبادل گرما داشته باشد، در پاسخ تمرین ۸ توضیح داده شده است)، یکی از دو جسم گرما می گیرد یعنی (Q>0) و جسم دیگر به همان اندازه گرما از دست می دهد یعنی (Q<0) که جمع این دو مقدار صفر می شود. در واقع گرمایی که یکی از دو جسم از دست می دهد را جسم دیگر می گیرد.

ph10 s4 garma taadol 08 گرما و دمای تعادل

و اگر چند جسم داشته باشیم که در تماس با یکدیگر باشند، خواهیم داشت :

ph10 s4 garma taadol 09 1 گرما و دمای تعادل

مثال ۲: یک قطعه ۱۴۰ گرمی آلومینیوم را که دمای آن ۸۰ درجه سلسیوس است در ظرف عایقی که حاوی ۲۵۰ گرم آب در دمای ۲۲ درجه سلسیوس است، می اندازیم. دمای تعادل را حساب کنید. از تبادل گرما بین ظرف و آب چشم پوشی کنید. ( گرمای ویژه آب را ۴۱۸۷ و آلومینیوم را ۹۰۰ ژول بر کیلوگرم درجه کلوین در نظر بگیرید.)

حل مثال ۲ :

ph10 s4 garma taadol 10 گرما و دمای تعادل

مثال ۳: m1 گرم آب ۱۰ درجه سلسیوس را با m2 گرم آب ۷۰ درجه سلسیوس مخلوط می کنیم تا ۲ کیلوگرم آب با دمای ۲۵ درجه سلسیوس داشته باشیم. در صورتی که تبادل گرما با ظرف و محیط نداشته باشیم، m1  و m2 چند گرم هستند؟

حل مثال ۳: دمای تعادل ۲۵ درجه سلسیوس و جمع جرم دو جسم ۲ کیلوگرم است. یعنی :

ph10 s4 garma taadol 11 گرما و دمای تعادل

مثال ۴: برای اندازه گیری گرمای ویژه فلزی با جنس نامعلوم، قطعه ای ۶۰۰ گرمی از آن را تا ۱۰۰ درجه سلسیوس گرم می کنیم و سپس آن را در گرماسنجی با ظرفیت گرمایی C=1.80×۱۰۲ J/K که حاوی ۵۰۰ گرم آب با دمای اولیه ۱۷٫۳ درجه سلسیوس می اندازیم.اگر دمای نهایی مجموعه ۲۰ درجه سلسیوس شود، گرمای ویژه این فلز چقدر است ؟ ظرفیت گرمایی ویژه آب c=4187 J/kg.K است.

حل مثال ۴:

ph10 s4 garma taadol 12 گرما و دمای تعادل

پس از مطالعه مطالب و مثال های فوق، تمرین های زیر را حل کنید و با پاسخ های ما مقایسه کنید تا به مبحث گرما و دمای تعادل مسلط شوید.

تمرین ۱: چه مقدار گرما به ۲۵۰ گرم مس ۳۰ درجه سلسیوس بدهیم تا دمای آن به ۹۰ درجه سلسیوس برسد ؟ (c=400 J/kg.K)

تمرین ۲: درون ظرفی که ظرفیت گرمایی آن C=200 J/K است مقداری آب ۲۰ درجه سلسیوس ریخته ایم و با ۲ کیلوگرم آب ۶۰ درجه سلسیوس مخلوط می کنیم. اگر دمای تعادل ۳۰ درجه سلسیوس باشد، جرم اولیه آب را حساب کنید. ( ظرفیت گرمای ویژه آب c=4200 J/kg.K است)

تمرین ۳: به ۳۰۰ گرم آب و ۴۰۰ گرم آلومینیوم به مقدار مساوی گرما می دهیم. اگر دمای آب ۸ درجه سلسیوس افزایش یابد، دمای آلومینیوم چند درجه سلسیوس افزایش خواهد یافت ؟ گرمای ویژه ی آب و آلومینیوم به ترتیب c=4200 J/kg.K و c=900 J/kg.K است.

تمرین ۴: اگر جرم ماده ای را نصف و گرمای داده شده به آن را ۲ برابر کنیم، ظرفیت گرمایی ویژه ی آن ماده چند برابر می شود ؟

تمرین ۵: درون گرما سنجی با ظرفیت گرمایی C=42 J/K مقداری آب با دمای ۱۰ درجه سلسیوس در تعادل گرمایی وجود دارد. جسمی با ظرفیت گرمایی c=105 J/K و دمای اولیه ۳۲ درجه سلسیوس را وارد گرماسنج می کنیم. پس از مدتی دما به ۱۲ درجه سلسیوس رسیده و تغییر نمی کند. جرم آب موجود در گرماسنج چند گرم بوده است ؟ (ظرفیت گرمایی ویژه آب c=4200 J/kg.K و از اتلاف گرما صرف نظر کنید و جسم تغییر حالت نمی دهد.)

تمرین ۶: در ظرفی عایق گرما، ۲ کیلوگرم مایع با گرمای ویژه c و دمای ۱۰ درجه سلسیوس موجود است. اگر یک جسم ۳ کیلوگرمی با گرمای ویژه ی ۲ c و دمای ۳۰ درجه سلسیوس را درون مایع اول وارد کنیم، دمای تعادل چند درجه سلسیوس می شود؟ (اتلاف گرما ناچیز است)

تمرین ۷: کرمای Q ، دمای ۳ گرم از ماده ی A را ۵ درجه سلسیوس و دمای ۲ گرم از ماده ی B را ۳ درجه سلسیوس بالا می برد. گرمای ویژه ی ماده A چند برابر گرمای ویژه ی ماده B است ؟

تمرین ۸ : چند کیلوگرم آب ۸۰ درجه سلسیوس را با یک کیلوگرم آب ۲۰ درجه سلسیوس مخلوط کنیم تا دمای تعادل ۵۰ درجه سلسیوس شود؟ با فرض اینکه در حین تبادل گرما Q=21×۱۰۴  ژول گرما از ظرف خارج شود. (ظرفیت گرمایی آب c=4200 J/kg.K است)

 

دانلود حل تمرین های گرما و دمای تعادل :

 

حل تمرین های پایان فصل دما و گرما (فیزیک دهم) برای تسلط بیشتر شما آماده دانلود است.

برچسب ها

کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

مطالب مشابه

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید

بستن
بستن