دسته‌ها
دما و گرما فیزیک دهم

همرفت

گرما به دلیل اختلاف دما از جسمی با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر انتقال می یابد و این انتقال تا وقتی ادامه می یابد که دو جسم هم دما شوند و اصطلاحا به تعادل گرمایی برسند. انتقال گرما به سه صورت متفاوت انجام می شود: رسانش گرمایی، همرفت و تابش گرمایی.

ph10 s4 Heat transfer 01 همرفت

همرفت

آب و هوا، چون مانند فلزات الکترون آزاد ندارند، رسانای خوب گرما نیستند. پس چگونه تمام آب درون یک کتری روی شعله اجاق گاز گرم می شود؟ و چگونه یک بخاری می تواند تمام هوای یک اتاق را گرم کند؟

ph10 s4 Heat transfer 06 همرفت

در واقع علت این انتقال گرما ها، رسانش نیست. وقتی به یک قسمت از شاره گرما می دهیم، فاصله متوسط مولکول ها در آن قسمت افزایش می باید. در نتیجه چگالی آن قسمت کاهش می یابد و این اتفاق باعث بالا رفتن مایع یا گاز گرم شده می شود. مثلا اگر شعله به کف کتری پر از آب برخورد کند، آب زیر کتری گرم شده و منبسط می شود و چگالی آن از آب سرد بالا کمتر می شود. می دانیم وقتی دو مایع با هم مخلوط باشند، مایعی که چگالی کمتری دارد، بنابر اصل ارشمیدس، روی مایع با چگالی بیشتر قرار می گیرد. یعنی مایع گرم بالا می رود و مایع سردتر، جایگزین آن می شود و این روند پیوسته تکرار می شود.

ph10 s4 Heat transfer 07 همرفت

همرفت طبیعی

به این انتقال گرما توسط مایع یا گاز، جریان همرفتی می گویند.  گرم شدن هوای اتاق توسط بخاری، جریان بادهای ساحلی، انتقال گرمای خورشید از مرکز به سطح آن و … مثال هایی از همرفت طبیعی هستند.

در همرفت، بر خلاف رسانش گرمایی، انتقال گرما با انتقال بخش هایی از خود ماده صورت می گیرد. یعنی خود ماده جابجا می شود تا گرما را منتقل کند.

علت وزش نسیم در کنار ساحل

چون گرمای ویژه آب بالاست، تغییر دمای آن با دادن و یا گرفتن گرما، آرام تر از هوا اتفاق می افتد. بنابر این در روز، بر اثر تابش خورشید، دمای هوا در ساحل بالا می رود اما دمای هوا در بالای سطح آب، کمتر از ساحل بالا می رود بنابر این هوای گرم ساحل به بالا حرکت می کند و هوای خنک دریا، جای آن را می گیرد بنابر این، وزش باد در روز از سمت دریا به ساحل است.  در شب هم دمای هوا در ساحل به سرعت پایین می آید اما هوا در بالای آب دریا گرم تر است پس هوای گرم بالای دریا، بالا می رود و هوای خنک ساحل جایگزین آن می شود. بنابر این در شب ها وزش باد از ساحل به سمت دریاست.

ph10 s4 Heat transfer 08 همرفت

مثال ۱: به نظر شما چه ارتباطی بین انتقال گرما به روش همرفت و ضریب انبساط حجمی برای یک مایع وجود دارد؟

پاسخ:

هرچه ضریب انبساط حجمی مایعی بیشتر باشد، حجم آن در اثر دریافت گرما، بیشتر می شود. بنابر این چگالی اش نیز کمتر شده و سبک تر می شود و رو به بالا حرکت می کند. بنابر این هرچه ضریب انبساط حجمی بیشتر باشد، مقدار انتقال گرما از طریق همرفت هم بیشتر می شود.

همرفت واداشته

نوع دیگری از همرفت وجود دارد که به آن، همرفت واداشته می گویند.در این همرفت شاره به کمک یک تلمبه طبیعی مانند قلب در گردش خون یا یک تلمبه مصنوعی مانند سیستم خنک کننده اتومبیل ، به حرکت واداشته می شود.

ph10 s4 Heat transfer 09 همرفت

مثال ۲: در یک لوله آزمایش مقداری آب بریزید. قطعه یخ کوچکی را درون لوله بیاندازید و برای آنکه یخ ته لوله بماند وزنه فلزی کوچکی روی یخ بگذارید  )یا توری فلزی کوچکی را مچاله کرده و روی یخ قرار دهید(.  اینک لوله را طوری روی شعله بگیرید که شعله با قسمت بالایی لوله برخورد کند. آب بالای لوله به جوش می آید اما یخ، ته لوله باقی می ماند و آب نمی شود. چرا؟

ph10 s4 Heat transfer 11 همرفت

پاسخ:

دلیل این امر آن است که فقط آب بالای لوله می جوشد.  این آب گرم می شود و انبساط می یابد و چگالی آن کاهش می یابد. آبِ انبساط یافته به ته لوله نمی رود و جریان همرفتی فقط در آب بالای لوله رخ می دهد.  جریان آب گرم به آب ته لوله که چگال تر است سرایت نمی کند. آب پایین لوله از طریق رسانش گرمایی خود آب گرم می شود. رسانندگی گرمایی آب بسیار کم است و بنابراین مدت بسیار زیادی طول می کشد تا آب ته لوله گرم شود و یخ را آب کند.

آزمایشی برای مشاهده پدیده همرفت

مثال ۳: چهار بطری شیشه ای یکسان، دو رنگ جوهر قرمز و آبی، دو کارت ویزیت مقوایی و آب بسیار سرد و بسیار گرم تهیه کنید. در دو تا از بطری ها جوهر آبی و در دو بطری دیگر جوهر قرمز بریزید. سپس بطری های آبی را با آب خیلی سرد و بطری های قرمز را با آب خیلی گرم پر کنید.  اکنون در حالی که دهانه یک بطری قرمز را با کارت ویزیت گرفته اید، دهانه آن را دقیقاً روی دهانه یک بطری آبی قرار دهید و سپس کارت را بیرون بکشید. همین آزمایش را به طور معکوس نیز انجام دهید؛ یعنی این بار، یک بطری آبی رنگ که دهانه آن با کارت پوشیده شده است را روی دهانه بطری قرمز رنگ قرار دهید و سپس کارت را بیرون بکشید.  از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟

ph10 s4 Heat transfer 12 همرفت

پاسخ:

با مشاهده تصویر بالا درمی یابید که وقتی بطری گرم را روی بطری سرد قرار می دهید تقریبا تغییر محسوسی در رنگ ها مشاهده نخواهیم کرد و تنها در ناحیه تماس دو بطری به دلیل تماس آب ها با یکدیگر تغییر رنگ ناچیزی مشاهده خواهیم کرد.  ولی در موردی که بطری سرد را روی بطری گرم قرار می دهیم، به دلیل رخ دادن پدیدهٔهمرفت، آب گرم رو به بالا و آب سرد رو به پایین حرکت می کند و بدین ترتیب آب های دو بطری در هم می آمیزد و پس از مدتی شاهد تغییر رنگ هر دو به رنگ سبز خواهیم بود.

وضعیت اول را می توان مشابه حالت وارونگی هوا درنظرگرفت، در حالی که وضعیت دوم مثل وضعیت طبیعی هواست که در روزهای معمولی رخ می دهد.

وارونگی هوا

در شرایط عادی، توزیع لایه های هوای اطراف زمین به این ترتیب است که هوای گرم در اطراف سطح زمین قرار دارد و هوای لایه های بالاتر از آن  به تدریج سرد و سردتر است.  بدیهی است که در این حالت شرایطی مثل همرفت طبیعی حاکم است؛ یعنی هوای گرمتر به بالا می رود و هوای سردتر و چگالتر پایین می آید و بدین ترتیب چرخش هوایی بر اثر پدیده همرفت رخ می دهد.

ph10 s4 Heat transfer 13 همرفت

وارونگی هوا معمولاً در شب های آرام و بدون ابر زمستان شروع میشود و در آن همرفت طبیعی در جوّ زمین متوقف می گردد.  در چنین شب هایی، لایه هوای بسیار سردی بین سطح زمین و لایه هوای گرم بالاتر قرار می گیرد.  این لایه هوای گرم، پیش از این، بر اثر پدیده همرفت در یک روز عادی ایجاد شده است.  در واقع سردی زیاد لایه هوای سرد مجاور زمین، باعث می شود پدیده همرفتی بین این لایه بسیار سرد و لایه هوای گرم بالای آن رخ ندهد.

ph10 s4 Heat transfer 14 همرفت

بدین ترتیب، مانع از چرخش هوا بر اثر پدیده همرفت در سطح زمین می گردد.  به این پدیده، وارونگی هوا می گویند.  در این وضعیت گرد و غبار و گازهای آلاینده شهری واقع در لایه هوای سرد مجاور زمین، که عمدتاً ناشی از تردد خودروها و کارخانجات دودزاست، در این لایه حبس می شوند. وارونگی هوا تا وقتی تداوم دارد که بر اثر وزیدن باد لایه های هوای سرد و گرم جابه جا شود، یا با افزایش دمای قابل توجه لایه سرد مجاور زمین، همرفت طبیعی دوباره در جوّ زمین از سر گرفته شود.  با توجه به اینکه در این پدیده، الگوی تغییرات دما در لایه های هوای اطراف زمین در یک روز طبیعی بر هم می خورد، به این پدیده وارونگی دما  نیز گفته می شود.


دانلود نسخه PDF جزوه بالا



هاست

از 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 (نا تمام) 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 .

دیدگاهتان را بنویسید

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