تغییر حالت و دمای تعادل

گرما نوعی انرژی است که به دلیل اختلاف دما، از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود. این انتقال انرژی تا زمانی ادامه می یابد که دو جسم هم دما شده و اصطلاحا گوییم به تعادل گرمایی رسیده است.

توجه کنید که گرما، انرژی انتقال یافته بین دو جسم بوده و انرژیِ در حال گذار نیز نامیده می شود.

محاسبه گرما

گرمای جسمی به جرم m، ظرفیت گرمای ویژه c و تغییر دمای $θ$ از طریق زیر بدست می آید:

$Q=mc\Delta\theta$

محاسبه دمای تعادل(بدون تغییر حالت)

اگر چند جسم با دماهای مختلف را در تماس با یکدیگر قرار دهید، گرما بین آنها مبادله می شود تا به دمای یکسان برسند و گوییم به تعادل گرمایی رسیده است.

طبق پایستگی انرژی، مقدار گرمایی که جسم گرم از دست می دهند، برابر با مقدار گرمایی است که اجسام سرد دریافت می کنند، بنابراین جمع جبری گرماها صفر می شود:

$Q_{1} + Q_{2} + .... =0$

$\frac{(\theta_{2}-\theta_{e})}{(\theta_{e}-\theta_{1})}=\frac{m_{1}c_{1}}{m_{2}c_{2}}$

$\theta_{e}$ دمای تعادل می باشد.

آزمایش های مجازی برای چنین حالتی(کلیک کنید):

1. آزمایش اول
2. آزمایش دوم

تغییر حالت

اجسام در اطراف ما در سه حالت جامد، مایع و گاز وجود دارند. اگر جسم از حالتی به حالت دیگر تغییر کند، گوییم تغییر حالت (فاز) رخ داده است.

1. شبیه ساز مجازی حالت های ماده

اگر به جسم جامد گرما دهیم، دمای جسم افزایش می یابد تا به نقطه ذوب برسد و با وجود گرما دادن، دمای جسم در دمای ذوب ثابت می ماند تا تمام جسم جامد به مایع تبدیل شود. (در واقع انرژی جنبشی مولکول ها به حالتی رسیده که بتوانند تغییر حالت دهند و گرفتن گرما باعث از بین رفتن پیوندها شده لذا میانگین انرژی جنبشی ذرات(دما) تغییری نمی کند.)

محاسبه گرمای تغییر فاز جامد به مایع

$Q=mL_{F}$

$L_{F}$ گرمای نهان ذوب می باشد که فقط به جنس ماده بستگی دارد.

نکته: دمای ذوب به جنس ماده و فشار وارد بر آن بستگی داشته و هرچه فشار بیشتر باشد، نقطه ذوب بالاتر می رود.

البته یخ استثنا است:

1. با افزایش فشار، دمای جوش آب افزایش یافته و دمای نقطه ذوب کاهش می یابد.
2. با کاهش فشار، دمای جوش آب کاهش یافته و دمای نقطه ذوب افزایش می یابد.

محاسبه دمای تعادل (به همراه تغییر فاز)

حالتی که در این شبیه ساز بررسی می کنیم برای زمانی است که دمای تعادل (شرایط نهایی) مشخص نبوده و می تواند بالای صفر، صفر و زیر صفر درجه سلسیوس باشد.

 برای هر مورد ابتدا باید گرمای مورد نیاز برای تغییر فاز یخ را محاسبه کنید، سپس گرمای مورد نیاز برای کاهش دمای آب مدنظر تا صفر درجه سلسیوس را محاسبه کرده و با گرمای تغییر فاز مقایسه کنید و ببینید اندازه کدام یک بیشتر است:

1-) اگر گرمای گرفته شده ناشی از کاهش دمای آب زیاد باشد، این گرما نه تنها یخ را ذوب می کند، بلکه دمای آب تولید شده را نیز افزایش می دهد که علاوه بر محاسبه فیزیکی می توانید از طریق شبیه ساز دمای تعادل را پیدا کنید.

2-) اگر گرمای مورد نیاز برای تغییر فاز یخ از گرمای دریافتی برای کاهش دمای آب تا صفر درجه سلسیوس بیشتر باشد، دمای تعادل زیر صصفر بوده و مقداری از آب منجمد خواهد شد.(دمای تعادل صفر درجه سانتی گراد)

3-) اگر این دو گرمای دریافتی و آزاد شده برابر باشد دمای تعادل بازهم صفر درجه سلسیوس خواهد بود.

نحوه کار با شبیه ساز

شما 200cm³ آب در اختیار دارید، می توانید دمای آن به دلخواه بین منفی 50 تا مثبت 100 درجه سلسیوس قرار دهید. در ادامه حجم یخ خود را انتخاب کنید تا در داخل بشر قرار گیرد.

اگر بخواهید تاثیر فشار هوا روی آب و یخ را مطالعه کنید می توانید ارتفاع را از سطح دریا افزایش یا کاهش دهید. (دقت کنید که با افزایش ارتفاع، فشار کاهش یافته و با کاهش ارتفاع، فشار افزایش می یابد.)

علاوه بر این موارد می توانید با گزینه "افزایش/کاهش انرژی گرمایی" آهنگ انتقال گرما (توان گرمایی) برای جسم مشخص کنید. یعنی از جسم گرما بگیرید یا به آن گرما بدهید.

با مشخص کردن همه موارد کافی است روی علامت شروع کلیک کنید. همچنین می توانید مراحل هم دمایی را از دیدگاه میکروسکوپی یا ماکروسکوپی بررسی کرده و با انتخاب تب "نمودار"، نمودار دما-زمان تعادل دمایی را مشاهده کنید.