تغییر حالت از یخ به بخار آب

انرژی که بر اثر اختلاف دما بین دو جسم مبادله می شود گرما نام دارد و باید توجه کنیم که ماده حاوی گرما نیست و آن انرژی که ذرات ماده دارند انرژی جنبشی مولکول ها است. گرما انرژی در گذر از جسمی با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین تر است. این انرژی پس از انتقال از گرما بودن دست می کشد و دوباره به صورت انرژی جنبشی ذرات ماده تبدیل گردد. وقتی ماده ای گرما جذب کند انرژی درونی آن افزایش می یابد و دمای آن تغییر میکند، در مواردی نیز گرمای جذب شده باعث تغییر حالت ماده می گردد.

اگر جسم جامدی را گرم کنیم ارتعاشات مولکولهای سازنده جسم افزایش می یابد و همین امر سبب می شود دمای آن افزایش یابد و این افزایش دما به جرم ماده، گرمای ویژه و میزان گرمای داده شده به جسم بستگی دارد و برای محاسبه مقدار گرمای لازم جهت افزایش دمای جسمی به جرم m از $\theta_{1}$ به $\theta_{2}$ از رابطه

$Q=mc(\theta_{2}-\theta_{1})$

استفاده می کنیم در این رابطه c گرمای ویژه ماده نام دارد که بستگی به جنس ماده داشته و برابر است با مقدار گرمایی که لازم است دمای یک کیلو گرم از ماده را یک کلوین($K$) یا یک درجه سلسیوس($^{o}c$) تغییر دهد. 

اگر گرم کردن جسم جامد را ادامه دهیم دمای آن افزایش می یابد و مولکول های جسم جامد با شدت بیشتری به ارتعاش در می آیند و در دمایی موسوم به نقطه ذوب نیروهای جاذبه بین مولکولهای جسم جامد نمی تواند آنها را در ساختار های قبلی خود حفظ کند و جامد شروع به ذوب شدن می کند. تا زمانی که تمام جسم جامد ذوب نشده دما ثابت می ماند و گرمایی که به جسم داده می شود صرف تغییر فاز آن از جامد به مایع می گردد. مقدار گرمایی را که لازم است تا در نقطه ذوب به جسم جامد دهیم تا بدون تغییر دما به مایع تبدیل شود گرمای ذوب می نامند. گرمای ذوب ماده جامد از رابطه زیر محاسبه می گردد:

$Q=mL_{f}$

در این رابطه $L_{f}$ گرمای نهان ویژه ذوب نامیده می شود و برابر است با مقدار گرمایی که لازم است به یک کیلو گرم جامد در نقطه ذوب بدهیم تا بدون تغییر دما آن را ذوب کند. یکای گرمای نهان ویژه ذوب عبارت است از: $\frac{j}{kg}$

حال اگر گرما دادن به مایع حاصل را ادامه دهیم دمای آن افزایش می یابد و مقدار آن با رابطه زیر محاسبه می شود:

$Q=mc'(\theta_{3}-\theta_{2})$

(در این رابطه $c'$ گرمای ویژه مایع است )

این افزایش دما تا زمانی ادامه می یابد که دمای مایع به نقطه تبخیر برسد. در این حالت مایع شروع به جوشیدن کرده و تا زمانی که تمامی ماده تبخیر نشده دمای مایع ثابت می ماند و گرمایی که مایع میگیرد صرفا باعث تغییر حالت آن به گاز می شود. مقدار گرمایی که لازم است تا مایع در نقطه جوش خود بگیرد تا بدون تغییر دما به گاز تبدیل شود گرمای تبخیر نام دارد برای محاسبه آن از رابطه زیر استفاده می کنند:

$Q=mL_{v}$

در این رابطه $L_{v}$ گرمای نهان ویژه تبخیر نامیده می شود و برابر است با مقدار گرمایی که لازم است به یک کیلو گرم مایع در نقطه جوش بدهیم تا بدون تغییر دما آن را به گاز تبدیل کند. یکای گرمای نهان ویژه تبخیر نیز مانند گرمای نهان ویژه ذوب عبارت است از: $\frac{j}{kg}$

با توجه به اینکه آب نقش موثری در حیات کره زمین دارد ویژگی های گرمایی آن باعث تعدیل حیات در زمین است. مختصری از ویژگی های آب را بیان می‌کنیم.

آب ماده‌ای که تنها از دو عنصر شیمیایی هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است و در حالت‌های گاز، مایع و جامد ‌را دیده‌ایم. یکی از فراوان‌ترین ترکیب‌ها بر روی زمین به شمار می‌آید. ماده‌ای بی‌رنگ، بی‌طعم و بی‌بو که از ضروری‌ترین مواد مورد نیاز ما است. در دمای اتاق به حالت مایع قرار دارد و توانایی مهم آن حل کردن بسیاری از مواد در خود است. در واقع همه‌کاره بودن آب به عنوان یک حلال آن را برای جانداران ضروری ساخته است.



بر روی سطح زمین و تحت شرایط عادی، آب‌ها به حالت مایع یافت می‌شوند که انتقال آن را به زیست‌گاه بسیاری از گیاهان و جانوران امکان‌پذیر می‌کند سادگی تبدیل این ماده به بخار، اجازه می‌دهد انتقال آن از مسیر اتمسفر بین اقیانوس‌ها و منطقه‌های خشک انجام شود و با میعان آن به شکل باران، بسیاری از گیاهان و حیات وحش را سیراب کند. به انتقال آب‌ها در طبیعت، چرخه آب (Water Cycle) گفته می‌شود زیرا در این چرخه ، آب‌ها از بین نمی‌روند و با تغییر در حالت فیزیکی، گردش و انتقال آن بر روی زمین اتفاق می‌افتد. فرآیند چرخه آب شامل ذوب-تبخیر-میعان و انجماد است.

توجه: برای بررسی بیشتر چرخه آب می توانید به شبیه سازی که با همین نام در بخش شبیه سازهای علوم منتشر شده مراجعه کنید.

در این شبیه ساز فرآیند تبدیل ترکیب آب و یخ به بخار آب مورد بررسی قرار میگیرد و در طی آن مقدار گرمایی که لازم است یک کیلوگرم یخ با دمای $-10^{o}c$ را به بخار آب تبدیل کند محاسبه میگردد و نیز نمودار تغییر دمای ماده را بر حسب گرمای داده شده به آن به صورت تحلیلی بررسی می گردد.

نحوه کار با شبیه ساز

شبیه ساز با کلیک بر روی دکمه سبز شروع به کار می کند و در طی مراحل زیر مقدار گرمای لازم جهت تبدیل یخ به بخار آب را محاسبه می نماید:

1-افزایش دمای یخ از $-10^{o}c$ به $0^{o}c$ و محاسبه گرمای لازم برای افزایش دما با استفاده از رابطه:

  $Q=mc(\theta_{2}-\theta_{1})$

2- تبدیل یخ $0^{o}c$ به آب $0^{o}c$ و محاسبه گرمای لازم برای تغییر فاز جامد به مایع با استفاده از رابطه:

$Q=mL_{f}$

3-افزایش دمای آب از $0^{o}c$ به $100^{o}c$ و محاسبه گرمای لازم برای افزایش دما با استفاده از رابطه:

$Q=mc'(\theta_{3}-\theta_{2})$

4- تبدیل آب $100^{o}c$ به بخار آب $100^{o}c$ و محاسبه گرمای لازم برای تغییر فاز مایع به گاز با استفاده از رابطه:

$Q=mL_{v}$

در حین کار شبیه ساز نمودار دما بر حسب گرمای گرفته شده به صورت لحظه ای رسم میگردد و می توان مقدار آن را با کلیک بر دکمه هایی که در سمت راست محیط قرار دارند مشاهده نمود. همچنین در هر مرحله فرمول گرما در بالای نمودار نوشته می شود.

پرسش ها:

1- آیا جذب گرما توسط یک جسم همواره باعث تغییر دمای آن می شود؟

2-چه عواملی در میزان گرمایی که لازم است دمای ماده را تغییر دهد موثر است؟

3-در فرآیند تبدیل یک کیلوگرم یخ به بخار آب در کدام مرحله گرمای بیشتری جذب می شود؟

4- در فرآیند تبدیل یک کیلوگرم یخ به بخار آب در کدام مرحله گرمای کمتری جذب شده؟