بخشی از مقاله
نگاهي به رشد جمعيت نشان مي دهد كه آهنگ ازدياد جمعيت در طي هزاران سال به كندي صورت مي گيرد, حال آنكه از سالهاي 1750 به بعد بر شماره افراد بشر به سرعت افزوده مي شود . اين افزايش ناشي از تاثيري است كه علم و صنعت بر سرنوشت آدمي گذاشته است . قرن هيجدهم دوره انقلاب صنعتي بوده . علوم طبيعي كه وارد عصر تجدد شده بود , اثرات خود را بر زندگي انسان ظاهر مي نمود . پيشرفتهاي پزشكي عمرها را دراز كرد و در نتيجه بر تعداد مردم افزود . تكنيك امكان داد, تا براي جمعيت به سرعت روز افزون مواد خوردني و پوشيدني تهيه شود. يكي از ثمرات مهم اين پيشرفت ساختمان ماشيهاي پر قدرت بخار بود كه تحقيق يافت. اين نوع ماشينها در سالهاي 1370 ابتدا در انگلستان ساخته شد به اين منظور كه آبهاي رخنه كرده را با پمپ از معادن خارج كنند. اين ماشينهاي پر سرو صدا در ابتداي امر طبعاً مقداري هنگفت جسته و سنگ مي بلعيده كه براي تهيه آن باز نيروهاي انساني مي بايست به كار رود .
در آن هنگام جسته و گريخته اين سئوال پيش مي آيد كه : آيا ساختن ماشين بخار مي تواند در امر اقتصاد عملي و مقرون به صرفه باشد ؟چون همان طور كه در مورد اين ((ماشينهاي جهنمي )) مزاح مي كرده اند براي جا دادن اين ماشينها نخست لازم بود كه محوطه اي را بكنند و سپس تازه كار حفاريهاي اصلي را آغاز كنند . مختصر اينكه بالا بردن كيفيت ماشينهاي مزبور يك مسئله حاد و فوري روز شده بود جيمز وات انگليسي موفق شد در اين راه قدمي قاطع بردارد. وي در سال 1769 ماشين بخاري ساخت كه براي نخستين بار حقيقتاً يك ماشين پرقدرت بود . اين ماشين در ازاي هر تن زغال كه مصرف مي كرد پنچ برابر ماشينهاي قبلي كار انجام مي داد .
عصر ماشين طلوع كرده بود به دنبال اين طلوع فكر و سرعت صنعتي كردن بر اهميت ماشين بخار افزود و وجود اين نوع ماشينها را براي امر اقتصاد يك عامل حياتي ساخت . بازده كارها براثر اختراعات جديد همواره بيشتر مي شد و رفته رفته اين سئوال پيش مي آمد كه : اين بهتر كردن ها سرانجام به كجا خواهد كشيد آيا به مرزي مي رسد كه گذشتن از آن , به علت طبيعت چيزها , غير ممكن گردد ؟ اما پيش از آنكه به پاسخ اين سئوال برسند لازم بود كه بسياري ازمسائل مبهم فيزيكي را روشن نمايند: گرما چيست ؟ گرما را چگونه مي توان اندازه گرفت ارتباط گرما با انرژي به چه صورت است ؟ پاسخ اين پرسشها در طور قرن نوزده داده شد .
آموزش گرما , تقريباً همزمان با آموزش الكتريسيته , تا آن وقت رشد يافته و يك بخش مهم علم فيزيك شده بود . وليكن علم شيمي هم به نوبه خود پيشرفت كرده بود و اتم را از حالت افسانه اي بيرون مي آورد و به صورت يك واقعيت علمي مي نمود . اينك از پديده هاي طبيعت يك منظره جديد به چشم مي خورد . وليكن در اين ميان معلوم شد كه گرما را نمي توان از طريق كار متناوب ماشينها يكسره به كار مبدل كرد چه انكه بخشي از اين گرما به صورت ((اتلاف )) الزاماً به محيط تحويل مي شود . در واقع بر اثر همين اتلاف گرما است كه ميزان انرژي مصرفي امروزه بسيار بالاست و با موانع بي شمار مواجه است . پايه هاي فني نيروگاه هاي جديد نيز بر آموزش گرما نهاده شده است . خواه نيروگاههاي سوختي و خواه نيروگاههاي اتمي كه تا چند سال آينده بخشي از انرژي مصرفي را بايد تامين كنند , هر دو نوع با ماشينهاي نيرو عمل مي كنند , و كارشان تماماً بر اساس قوانين آموزش گرما صورت مي گيرد . بدون اطلاع از پايه هاي آموزش گرما امكان ندار كه بتوان به مشكلات انرژي عصر حاضر پي برد .
1-جنبش گرمايي مولكول ها
ما تا كنون فقط به ساختمان ماده پرداختيم . اما وارد اين موضوع نشديم كه در فرايند گرم شدن يك جسم چه اتفاقي در جسم روي مي دهد و وجه تمايز بين يك جسم سرد و جسم گرم چيست ؟ پاسخ اين پرسشها را به كمك ميكروسكوپهاي الكتروني اختراع شده امروزي به آساني مي توان داد همين قدر كافي است كه يك قطعه بلور را كه تصوير اتماهايش زير ميكروسكوپ ميليونها بار بزرگ مي شوند گرم بكنيم و زير ميكرسكوپ قرار بدهيم در اين صورت مي بينيم كه لرزشهاي خفيف تصاوير اتمي شدت مي يابد و هر قدر بلور گرم تر شود بر شدت اين لرزشها نيز افزوده خواهد شد به اين ترتيب اتمهاي بلور بر اثرگرما حركات بي قاعده و نا منظم از خود ظاهر مي سازند بنابراين لرزشهاي تصاوير اتمي بر صفحه ميكروسكوپ از نقص دستگاه ناشي نمي شود بلكه از يك پديده اساسي سر چشمه مي گيرد و معرف (( جنبش گرمايي )) اتما و مولكول ها است . اين حركات را به ويژه در مايعات به روشني مي توان مشاهده كرد .
مثلاً اگر چند قطره مركب را در آب بريزيم حتي با كمك يك ميكروسكوپ عادي نيز مي توانيم حركات بي قاعده ذرات سياه و معلق مركب را در آب مشاده كنيم . اين پديده كه (( حركت براوني )) خوانده ميشود , 150 سال پيش توسط رابرت برون گياه شناس انگليسي به هنگام آزمايش ميكروسكوپي هاگها و نطفه ها كشف شد .شناسايي علت اين قسم حركات مدتها به طول انجاميد و كليه توجيهاتي كه قبلاً در اين خصوص داده مي شد اقناع كننده نبود . ابتدا در قرن ما معلوم شد كه در اينجا مسئله برسر جنبش گرمايي مولكولهاي مايعات است . در همان حال كه مولكول هاي آب ضربه هاي بي قاعده بر ذرات معلق مركب وارد مي آورند تاثير اين ضربه ها گاهي به اين سو و گاهي به آن سو مي چربد و در نتيجه ذرات مركب به اين طرف نوسان مي كنند . حركات براوني با گذشت زمان خفيف نمي شود ماهها و سالها و حتي تا مدتي نا محدود ادامه دارد چه آنكه شر چشمه اين قسم حركت كه همان جنبش گرمايي است هميشه هست .
اتمها و مولكولهاي مواد دائماً حركات گرمايي بي قاعده ظاهر مي كنند .پس جنبش گرمايي فقط با گرم شدن ماده به وجود نميآيد بلكه همواره وجود دارد – در جسمهاي سرد خفيف تر و در جسمهاي گرم شديدتر از اين رو مي توانيم بگوييم كه : دماي يك جسم مقياسي براي جنبش گرمايي اتمهاي جسم است . ما اين توضيح دمايي را پايه مطالعات بعدي قرار مي دهيم . چنانچه فرضيه ما درست بوده باشد توصيف دما بر ميناي جنبش گرمايي نيز در هر وضعي مي باسد براي ما ممكن باشد . پس بر اساس تصور خود قادر به پيشگوييهايي خواهيم بود كه از بوته امتحان درست بيرون بيايد . يك مثال ساده : فرض مي كنيم جسمي روي يك سطح زبر سر بخورد . حال اگر فرضيه ما درست باشد درجسم چه تغييري بروز مي كند ؟در واقع به علت زبر بودن سطح مولكولهاي سطح مشترك به يك طرز بي قاعده به نوسان در مي آيند و اين نوسانها از طريق مولكولهاي همجوار كم كم به مولكولهاي ديگر جسم سرايت خواهند كرد . از اين رو مي توان انتظار داشت كه حركت كم و بيش منظم اوليه مولكولها كه بر اثرسر خوردن جسم پديد آمده است به يك حركت گرمايي مبدل گردد. پس جسم رفته رفت بايد به حالت سكون در آيد و در ضمن گرم شود. در واقع نيز همين وضع مشاهده مي شود و پيشگويي ما با تجربه وفق مي دهد .
جنبش گرمايي بسياري از مشاهدات ديگر را نيز به روشني توجيه ميكند. از جمله اين مشاهدات در مورد آميخته شدن دو ماده است . دو ماده مختلف در صورتي با هم آميخته خواهندشد كه هيچ نوع سيلان يا حركت محسوس ديگر در سطح تماس اين دوماده داخل نشود . اين اميزش به پديده پخش موسوم است . حال اگر يك قشري از بخار برم قرار گرفته باشد آن چنان كه صفه اي اين دو قشر را از يكديگر جدا سازد چنانچه صفحه مزبور را از جاي خود خارج كنند ذرات سرخ رنگ برم با ذرات هوا آميخته خواهند شد . علت اين تداخل در واقع جنبشهاي گرمايي است به اين معنا كه حركات بي قاعده و بي وقفه مولكولها موجب مي شود كه هوا و بخار برم با يكديگر در هم آميزند . پديده پخش در مايعات و حتي در اجسام جامد نيز وجود دارد . انبساط هواي جو نيز از جنبشهاي گرمايي ناشي مي شود چه آنكه اگر جنبش گرمايي وجود نمي داشت هواي جو براثر نيروي گرانشي به صورت قشري و غليظ كه ضخامت آن از 10 متر تجاوز نمي كرد كره زمين را در بر مي گرفت.
2-انبساط گرمايي دما سنج
يك فيزيكدان شدت جنبش گرمايي را مقياسي براي دما مي داند . حال آنكه در زندگي روز مره درجه بندي دما را به منظور تسهيل اندازه گيريها از قبل تثبيت مي كنند . تقريباً همه اجسام بر اثر گرما منبسط مي شوند زيرا كه بر اثر تشديد جنبشهاي گرمايي مولكولهاي جسم به يك فضاي نسبتاً بزرگتر نياز دارند . پس انبساط گرمايي هم مي تواند براي دما مقياسي باشد و به منظور ساختمان دما سنجها مفيد واقع شود .درجه بندي دما به صورتي كه امروزه متدوال است از طرف آندرس سلسيوس اختر شناس سوئدي پيشنهاد شد و به همين مناسبت درجه سيلسيون خوانده كي شود . درجه بندي مزبور به طريق زير انجام مي شود : ابتدا دما سنج جيوه اي را در مخروطي از آب و يخ فرو برده نقطه صفر درجه سانتيگراد را معين مي كنند .
بعدهمين دما سنج را در آب جوش برده محل دماي 100 درجه سانتيگراد را علامت مي گذارند. حال فاصله بين دو علامت صفر و صد دريجه سانتيگراد را به صد جزء مساوي تقسيم كرده درجه بندي دما سنج را مشخص مي كنند . درجه سلسيوس را ما ذيلاً با حرف يوناني تتا ( )نمايش مي دهيم . جيوه در واقع هيچ امتيازي بر ديگر مايعات ندارد جز آنكه در سرماي زمستان و گرماي تابستان همواره حالت مايع بودن خود را حفظ مي كند و به كار بردن آننيز به همين ملاجظه است .اينك ثبت درجات دما به ما امكان مي دهد كه اندازه انبساط اجسام را به كمك ازدياد دما معين كنيم . براي اين منظور از دستگاه زيراستفاده مي كنيم.
لوله يك متري از جنس ماده مورد نظر از يك سر به گيره اي محكم بسته سر ديگر لوله را به عقربه سنجش وصل مي كنيم .حال مقداري بخار يا آب جوش از لوله مزبور مي گذرانيم و در ضمن تغيير طول لوله را از روي درجاتي كه عقربه نشان مي دهد مي خوانيم اين آزمايش ما را به اين نتيجه مي رساند كه براي هر 10 درجه سانتيگراد ازدياد دما افزايش طول لوله بين 1/ تا 2/ ميليمتر واقع است . اين مقدار البته به نظر بسيار كم مي آيد .وليكن بايد توجه داشت كه دماي يك پل مي تواند بر اثر گرماي هوا 40 دريجه سانتيگراد برسد به طوري كه تغيير طول مربوط به اين دما براي پلها خاصه پلها كارگذارده مي شود .
به منظور جلوگيري از همين خطرات است .از تفاوت انبساط گرمايي فلزات استفاده مي كنند و دما سنج هاي دو فلزي را مي سازند . دو نوار فلزي مثلاً يكي از آهن و ديگري از برنج را گرفته به هم جوش مي دهند . حال اين دو نوار بر اثر بالا رفتن دما هر يك به ميزاني معين خم مي شود و هر قدر گرما افزايش يابد خميدگي نسبي اين نوراها هم بيشتر خواهد شد . نوراهاي دو فلزي را عموماً در مدارهاي الكتريكي به جاي كليد قطع و وصل جريان كار مي گذارند .
از جمله موارد استعمال اين كليدها در ترموستاتها است كه دماي دستگاه مركزي را به طرز خودكار تنظيم مي كند .انبساط گرمايي طول ,تغيير حجم را نيز همراه دارد . در نمودار ترسيمي زير درصد تغيير حجم بعضي از مواد كه از 0 تا 100 گرم شده اند داده شده است.اندك بودن انبساط گرمايي اجسام جامد به خصوص قابل ذكر ست البته اگر با انبساط گرمايي مايعات و گازها مقايسه شود .نكته ديگر اينكه يكسان بودن انبساط گرمايي تقريباً همه گازهاي بسيار به چشم مي خورد . و اين طبعاً در صورتي است كه فشارحاكم بر گاز ثابت بماند .
