مفاهیم کلیدی: دما، انتقال حرارت، حساسیت دمایی، ترمودینامیک
مشاهده علمي ۱۵۷
مقدمه:
ما انسان‌ها با داشتن حس لامسه می‌توانیم تفاوت بین سرما و گرما را حس کنیم. اما آیا حسی که نسبت به یک درجه حرارت خاص داریم در تمام شرایط یکسان است؟ آیا دقت کرده‌اید که در حمام زمانی که با پای برهنه روی کاشی حمام قدم می‌گذارید حس سرمای زیادی می‌کنید، اما حوله‌ای که در همان شرایط دمایی در حمام آویزان است بسیار گرم‌تر حس می‌شود؟ این تفاوت از کجا ناشی می‌شود؟ فعالیت سرگرم‌کننده‌ی زیر را انجام دهید تا پاسخ این سوال را بیابید!
پیش‌زمینه:
ابتدا باید در مورد مبحث انرژی صحبت کنیم. گرما یکی از اشکال انرژی است. هنگامی که جسمی گرما می‌گیرد، انرژی جنبشی مولکول‌های این جسم افزایش پیدا می‌کند و مولکول‌ها سریع‌تر حرکت می‌کنند. دما معیاری از سرعت متوسط مولکول‌های ماده است.
پس از انرژی باید کمی در مورد حس لامسه توضیح دهیم. مغز شما همیشه در حال فرستادن پیام‌هایی به دستان شماست. مثلاً: «هی دست‌ها! دستگیره‌ی در را بگیرید و در را باز کنید!» دست‌ها نیز می‌توانند به مغز پیام بفرستند. سلول‌های حسی در دستان شما سیگنال‌هایی به مغزتان می‌فرستند تا بتوانند بفهمند دست شما در حال لمس چه چیزی است. اما همانطور که در این فعالیت علمی خواهید آموخت، سیستم لامسه‌ی ما نمی‌تواند با دقت یک دماسنج دمای اجسام را اندازه بگیرد.
مواد و وسایل مورد نیاز:
حمام با کف کاشی
جاحوله‌ای فلزی
حوله
لیوان آب خالی
کاغذ و مداد
نوار دماسنج کریستال مایع مخصوص آکواریوم (می‌توانید آن را از مغازه‌های آکواریوم فروشی خریداری کنید.)
آماده‌سازی:
اطمینان حاصل کنید که حوله و لیوان آب ده دقیقه قبل از شروع کار در حمامی قرار داشته باشند که قصد انجام آزمایش را در آن دارید.
یک لیست از مواردی که آزمایش خواهید کرد روی کاغذ تهیه کنید: کاشی، جاحوله‌ای، حوله و لیوان. روبه‌روی هر کدام از این موارد فضای کافی برای نوشتن دو مطلب خالی بگذارید: اول حسی که با لمس کردن آن دارید و دوم دمای حقیقی آن.
روش کار:
کف دست خود را روی حوله قرار دهید. چه حسی دارید؟ حوله گرم است یا سرد؟
روی کاغذ روبه‌روی کلمه‌ی حوله بنویسید که چه حسی از لمس آن داشتید.
حال کف دست خود را روی سطح لیوان بگذارید. لیوان را گرم حس می‌کنید یا سرد؟
این بار نیز روی کاغذ روبه‌روی کلمه‌ی لیوان بنویسید که چه حسی از لمس آن داشتید.
همین مراحل را در مورد جاحوله‌ای فلزی و کاشی انجام دهید. با لمس آنها حس گرما دارید یا سرما؟ نتایج را روی کاغذ یادداشت کنید. آیا درک تفاوت بین دمای اجسامی که آنها را لمس کردید برایتان ساده بود؟ چند دقیقه صبر کنید و سپس نوار دماسنج را روی سطح حوله قرار دهید. دماسنج چه دمایی را برای حوله نشان می‌دهد؟
دمایی که دماسنج برای حوله نشان می‌دهد روی کاغذ روبه‌روی کلمه‌ی حوله یادداشت کنید.
سپس دماسنج را به ترتیب روی لیوان، جاحوله‌ای فلزی و کاشی بگذارید و دمای آنها را اندازه بگیرید. دمای این سطوح یکسان است یا متفاوت؟ دمای واقعی این اجسام در مقایسه با حسی که با لمس آنها داشتید چگونه است؟
آزمایش تکمیلی:
سه لیوان شیشه‌ای بلند آماده کنید. یکی را با آب داغ (نه خیلی داغ) پر کنید. در لیوان دوم آب یخ و در لیوان سوم نیز آب دمای اتاق بریزید. با یک دست لیوان حاوی آب یخ را طوری بگیرید که کف دستتان به طور کامل با لیوان در تماس باشد. حال با دست دیگر به همین شکل لیوان حاوی آب داغ را بگیرید.
هر دو دست را به مدت یک دقیقه در همین حالت نگه دارید. سپس دستانتان را از دو لیوان جدا کنید و به سرعت لیوان حاوی آب با دمای اتاق را با دو دست بگیرید. چه حسی به دمای این لیوان دارید؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
اشیای داخل حمام از جمله حوله، لیوان، جاحوله‌ای و کاشی باید درجه حرارتی یکسان داشته باشند، اما درجه حرارتی که با لمس این اشیا از دستتان حس می‌کنید ممکن است بسیار متفاوت باشد. این مسئله مربوط به حرکت حرارت یا انرژی است. هنگامی که دو جسم در دماهای مختلف باشند، حرارت از جسم گرم‌تر به جسم سردتر جریان پیدا می‌کند.
احتمالاً جاحوله‌ای فلزی به نظرتان سردتر از بقیه‌ی اجسام بوده است، زیرا فلز رسانای خوبی برای گرماست. به این معنا که می‌تواند به سرعت گرما را از دست شما بگیرد و به دست شما حس سرما بدهد. در مقابل حوله که از جنس پنبه است رسانای ضعیف گرماست و حرارت دست شما را نمی‌گیرد، به همین دلیل آن را گرم‌تر حس می‌کنید. لیوان شیشه‌ای و کاشی احتمالاً چیزی در این بین بوده‌اند. درک ما از دما از طریق مقایسه است. زمانی که جسمی را لمس می‌کنیم که دمایی متفاوت با دستمان دارد، جریان گرمای وارد شده به دست یا خارج شده از آن را به عنوان تفاوت حرارتی می‌بینیم. زمانی که گرما از دست ما خارج می‌شود، دمای دست کاهش می‌یابد و سنسورهای دست به مغز پیام می‌دهند که پوست در تماس با یک جسم سردتر است.
از آنجا که تعیین درجه حرارت با استفاده از حس لامسه فرآیندی مقایسه‌ای است، برای اندازه‌گیری دمای دقیق هر جسم نیاز به دماسنج داریم.
اگر آزمایش تکمیلی ذکر شده در بالا را انجام دهید، خواهید دید که دو دست شما می‌توانند اطلاعات متناقضی در مورد دمای یک جسم به شما بدهند. دستی که در تماس با لیوان حاوی آب یخ بود این حس را به شما داد که لیوان حاوی آب با دمای اتاق داغ است. دست دیگرتان که لیوان آب داغ را گرفته بود این حس را به شما داد که لیوان سوم سرد است. این در حالی است که در انتها هر دو دست شما یک لیوان را گرفته بودند!
این حس‌های اشتباه نشان می‌دهند که دستان ما قادر به درک مستقیم درجه حرارت لیوان نیستند. سنسورهای حرارت در پوست دست تغییر درجه حرارت ناشی از جریان گرما (یا انرژی) به درون دست یا بیرون از آن را حس می‌کنند. زمانی که لیوان سرد را در دست می‌گیرید، دست شما سرد می‌شود. سپس زمانی که این دست سرد در تماس با لیوان حاوی آب با دمای اتاق قرار می-گیرد، گرما از لیوان به سمت دست شما جریان پیدا می‌کند تا دمای آن را افزایش دهد. حرارت دست شما افزایش می‌یابد، در نتیجه دست حس می‌کند که لیوان گرم است. زمانی که لیوان گرم را در دست می‌گیرید، دست شما گرم می‌شود. در ادامه با لمس لیوان با دمای معمولی، گرما از دست شما به لیوان جریان پیدا می‌کند تا دست شما خنک شود. دست شما در این فرآیند حرارت از دست می‌دهد و در نتیجه حس می‌کند که لیوان سرد است.
عصب‌هایی در دست شما وجود دارند که می‌توانند تعیین کنند یک جسم گرم‌تر از دمای بدن است یا سردتر. اما آنها به سرعت با شرایط وفق پیدا می‌کنند و از جسم حس عادی و نه گرم یا سرد پیدا می‌کنیم. زمانی که دستان خود را به لیوان با دمای معمولی می‌چسبانید، هر کدام از دست‌ها حسی متفاوت از آنچه قبل داشت دریافت می‌کند. از آنجا که هر کدام از دست‌هایتان در مرحله‌ی قبل لیوانی با دمای متفاوت را گرفته بود، تغییراتی که در مرحله‌ی بعد احساس می‌کند متفاوت است، در حالی که هر دو دست در تماس با یک لیوان هستند.
منبع:
Scientific American
منابع مفيد:
دماسنج خانگي
فناوري گرمايي
رسانش گرمايي
همرفت
تابش
انتقال انرژي
يخچال
ترموديناميک و سينيتيک
ترموديناميک
حواس انسان
ترموديناميک-ويکيپديا
انتقال گرما-ويکيپديا
Testing Heat and Temprature
Heat Transfer
Heat and Thermal Energy