روشهای انتقال گرما

رسانائی

همرفت

تابش

اندازه گیری دما

اندازه گیری دما

درجه سردی و گرمی جسم را دما می‌گویند. دما کمیتی نسبی و مقایسه‌ای است، زیرا امکان دارد دمای جسمی نسبت به جسم دیگر سرد و در عین حال نسبت به جسم دیگری گرم باشد. مبحث زیر در مورد روش اندازه گیری دما می‌باشد. 


نگاه اجمالی برای اندازه گیری دما از دماسنج استفاده می‌کنیم. ساده‌ترین دماسنج ، دماسنج جیوه‌ای است که تشکیل شده است از لوله نازکی که دارای مخزن کوچکی می‌باشد. درون مخزن از جیوه پر شده است و گرفتن گرما باعث بالا رفتن و پایین آمدن جیوه در دماسنج شده و از روی آن دمای جسم تعیین می‌شود. ارتفاع جیوه ، کمیتی است که در دماسنج جیوه‌ای موجب سنجش دما می‌شود. این کمیت کمیت دماسنجی نامیده می‌شود. 

مقیاس دماسنجی بسیاری خواص فیزیکی سنجش‌پذیر وجود دارند که همچنانکه ادراک فیزیولوژیکی ما از دما تغییر می‌کند، آنها نیز تغییر می‌کنند. از جمله این خواص می‌توان از حجم یک مایع ، طول یک میله ، مقاومت الکتریکی یک سیم ، فشار یک گاز در حجم ثابت ، حجم یک گاز در فشار ثابت و رنگ نور رشته یک لامپ نام برد. هر یک از این خواص را می‌توان برای ساختن یک دماسنج یعنی بوجود آوردن یک مقیاس خصوصی دما ، بکار برد. چنین مقیاس دمایی را با انتخاب یک ماده دماسنجی بخصوص و استفاده از خاصیت دماسنجی خاصی از این ماده ، ایجاد می‌کنیم.

دماسنج برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات X و Y را به عنوان سیستم استاندارد که ما آن را دماسنج می‌نامیم، انتخاب می‌کنیم و @مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام منحنیهای هم‌دمای آن ، اختیار می‌کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم. 

تابع دماسنجی 
ساده‌ترین روش برای اندازه گیری دما این است که یک مسیر مناسب در صفحه XY ، بر طبق نمودار زیر که با خط چین y=y1 نشان داده شده است، انتخاب کنیم. این خط ، منحنیهای همدما را در نقاطی قطع می‌کند که مختصه Y آنها مشترک ولی مختصه X آنها متفاوت است. سپس دمای وابسته به هر منحنی همدما را به عنوان تابع مناسبی از X در این نقطه تقاطع اختیار می‌کنیم. مختصه X ویژگی دماسنجی خوانده می‌شود و شکل تابع دماسنجی (X) مقیاس دما را تعیین می‌کند.

فرض می‌کنیم X نمایشگر یکی از ویژگیهای دماسنج باشد. بطور اختیاری می‌خواهیم مقیاس دما را طوری تعریف کنیم که دمای θ مستقیما با X متناسب باشد. بنابراین ، دمای مشترک بین دماسنج و همه سیستمهایی که با آن در تعادل گرمایی هستند، عبارتست از:

X = a X

نقطه ثابت 
بطور کلی معادله X=aX در مورد دماسنجی که در تماس با سیستمی است که دمای X  آن باید اندازه گیری شود، بکار می‌رود. بنابراین ، معادله مذکور هنگامی بکار می‌رود که دماسنج با سیستم استانداردی که به دلخواه انتخاب شده و تولید آن ساده است، در تماس قرار گیرد. این حالت از سیستم استانداری که به دلخواه انتخاب شده است، یک نقطه ثابت خوانده می‌شود.

از سال 1333/1954، فقط یک نقطه ثابت استاندارد بکار رفته است که همان نقطه سه‌گانه آب یعنی حالتی است که در آن مخلوطی از یخ ، مایع و بخار آب خالص ، در تعادل قرار دارند. به دمایی که این حالت در آن وجود دارد، بطور اختیاری 237،16 کلوین که به اختصار به صورت 237،16k نوشته می‌شود،نسبت داده شده است و اکنون با محاسبه a از معادله بالا خواهیم داشت:

a = 273.16 k/Xt P

دمای نقطه سه‌گانه آب ، نقطه ثابت استاندارد دماسنجی است. 

شرط نقطه سه‌گانه 
برای رسیدن به نقطه سه‌گانه ، آب بسیار خالص را که ترکیب ایزوتوپی آن عمدتا شبیه آب اقیانوس است، در ظرفی که در شکل زیر طرح آن نشان داده شده است، تقطیر می‌کنند. پس از این که تمام هوا از ظرف خارج شد، دهانه ظرف را مسدود می‌کنند. با کمک یک مخلوط سرد کننده در حفره داخلی ، یک لایه یخ در اطراف این حفره تشکیل می‌شود. وقتی که مخلوط سرد کننده با یک حباب دماسنج جایگزین شود، یک لایه نازک در اطراف این دماسنج ذوب می‌شود. مادامی که فازهای جامد ، مایع و بخار با یکدیگر در تعادل به سر می‌برند، سیستم در نقطه سه‌گانه است. 

گرم شدن اتمسفر

گرم شدن اتمسفر بطور كلي اتمسفر كره زمين تمام گرماي طبيعي خود را به طور مستقيم و يا غيرمستقيم از خورشيد دريافت مي‌كند. اين امر به طرق زير صورت مي‌پذيرد: 1- انرژي تابشي : انرژي تابشي دريافت شده از خورشيد، گستره‌اي از طول موج‌ها است كه بنام طيف خورشيدي معروف است. در اين طيف وسيع بلندترين امواج (امواج راديويي) حدود 10n برابر امواج كوتاه (اشعه گاما) مي‌باشد ولي حداكثر انرژي و مقدار زيادي از كل انرژي تابش در محدوده كم عرض قسمت مرئي واقع است. امواج مرئي خورشيدي از درون گازهاي اتمسفر عبور مي‌كنند ولي اشعه ماوراي بنفش با طول موج كوتاه، در اتمسفر فوقاني جذب مي‌گردد. مقداري از اشعه مادون‌قرمز توسط دي‌‌اكسيدكربن و بخار آب اتمسفر تحتاني جذب مي‌شود. اما بيشتر انرژي خورشيدي بدون اينكه توسط هوا جذب شود. به زمين مي‌رسد. گرما قسمت اعظمي از اتمسفر در وهله اول بوسيله سطح زيرين آن، پس از گرم شدن توسط تابش خورشيدي تأمين مي‌شود. سه طريقه انتقال گرما (تابش‌ـ رسانش‌ـ همرفت) به همراه گرماي نهان تبخير در هم آميخته اتمسفر را گرم مي‌كنند. 2- تشعشع زمين : سطح زمين با جذب نورخورشيدي، به نوبه خود گرم مي‌شود. مواد گرم ساطع كننده انرژي هسته و طول موج اين تابش به درجه حرارت جسمي كه انرژي تابشي از دست مي‌‌دهد بستگي دارد. زمين نورمرئي را به اشعه مادون‌قرمز با طول موج بلندتر تبديل مي‌كند بخار ‌آب و تا حدي كمتر دي‌اكسيدكربن، اشعه مادون قرمز را جذب مي‌كنند. قطرات مايع آب موجود در ابرها نيز يك جاذب خيلي قوي اشعه مادون قرمز هستند و در نتيجه شب‌هاي ابري هميشه گرمتر از شب‌هاي صاف است. 3- انتقال آشفته : دومين طريقه مهم گرم شدن اتمسفر، انتقال انرژي بوسيله هدايت مستقيم، گرما از سطح زمين به اتمسفر با تماس مستقيم با آن است هوا يك هادي خيلي ضعيف انرژي گرمايي است چرا كه فقط پايين‌ترين قسمت اتمسفر بوسيله آن گرم مي‌شود. اما به محض گرم شدن، هوا گسترش يافته، صعود مي‌كند و از طريق همرفت گرمايي هدايت شده را به سطوح بالا انتقال مي‌دهد تركيب اعمال هدايت و همرفت در گرم كردن هوا را معمولاً تبادل گرمايي آشفته مي‌نامند. 4- گرماي نهان : هنگامي كه آب بخار شده از حالت مايع خارج مي‌گردد. 540 تا 600 كالري توسط هر گرم آب تبديل شده به بخار جذب مي‌شود. هيچ مقداري از اين گرما در تغيير دما دخالت ندارد. بلكه صرفاً براي تأمين انرژي لازم مولكول‌هاي آب جهت خارج شدن از حالت مايع به گاز مي باشد (تنها يك كالري لازم است كه دماي يك گرم آب را يك درجه سانتي‌گراد بالا ببرد) 540 تا 600 كالري كه براي تبديل يك گرم آب به گاز لازم است بسيار زياد مي‌باشد. سرانجام بخار آب در فرآيند تراكم قطرات آب، ابرها را بوجود آورده و در نتيجه گرماي نهان خود را به صورت گرماي محسوس آزاد مي‌كند. 5- پديده گلخانه : اتمسفر كره زمين همانند شيشه گلخانه، با جلوگيري از اتلاف انرژي برگشتي از سطح زمين، بخش اعظم انرژي تابش از خورشيد را محبوس مي‌كند زيرا جو زمين تقريباً شرايط شفافي را نسبت به تابش خورشيدي با امواج كوتاه دارد ولي در مقابل امواج طولاني تشعشع زمين تقريباً شرايط كدري را دارا مي باشد در اين بين بخار‌آب‌ـ ابرها و دي‌اكسيدكربن نقش بسيار عمده‌ايي در مقياس وسيعي در درون اتمسفر جهت بازداشتن از خروج تشعشع زمين به عهده دارند اين امر سرانجام شرايط پديده‌ گلخانه‌اي را براي جو زمين بوجود آورده و سبب افزايش درجه حرارت آن مي‌گردد.

عوامل مؤثر در پراكندگي افقي درجه حرارت

عوامل مؤثر در پراكندگي افقي درجه حرارت

1- شدت و مدت تابش خورشيدي
2- درجه ضايعات انرژي خورشيدي ضمن گذر از اتمسفر
3- طبيعت زيستي‌‌‌‌‌‌‌ـ پراكندگي خشكي‌ها و درياها
4- نسبت بين تشعشع زميني و تشعشع اتمسفر
5- انرژي آزاد شده و يا مصرف شده در مواقع تبخير‌‌‌‌ـ تراكم‌ـ يخ‌بندان‌ـ ذوب
6- شدت و جهت انتقال انرژي به هنگام جريانهاي دريايي و حركات افقي هوا
7- انتقال انرژي در جهت قائم

8- ارتفاع جهت قائم 8- ارتفاع

فیزیک جو

مدار بدون باد - عرض جغرافيايي اسب

 Horse Latitude 


در هر دو سوي خط استوا در عرض جغرافيايي حدود 35-30 درجه شمالي و 30-25 درجه جنوبي كمربند پرفشاري قرار گرفته است كه يك دليل خشك بودن اين ناحيه و وجود صحراهايي همچون افريقا، كوير لوت، نوادا در نيمكره شمالي و كالاهاري و اتاماكا در نيمكره جنوبي وجود اين كمربندهاي پرفشار است. در اقيانوس‌ها هم اين منطقه معروف به منطقه بدون باد معروف بوده، براي كشتي‌هاي بادباني به منزله مانعي جهت دست‌يابي به سوي ديگر بوده است. دريانوردان و هواشناسان اين منطقه را به نام عرض جغرافيايي اسب، Horse Latitude، مي‌نامند. بنا بر گفته‌هاي فرهنگ‌هاي Americana و Britannica وجه تسميه اين نام يكي از سه صورت زير است. 

· كشتي‌هايي كه از درياي كاراييب، فراورده‌هاي منطقه به ويژه اسب را به نيوانگلند مي‌بردند، به دليل نبود باد و به پايان رسيدن علوفه، اسب‌ها را در آب مي‌ريختند و پيكرهاي شناور و بيجان اسبان وجه تسميه اين منطقه بوده است. 

· به دليل فراواني و پرورش اسب اين منطقه به اين نام معروف شده است. 

· دريانوردان اسپانيايي مي‌گفته‌اند كه، بادهاي اين ناحيه همچون يك ماديان، پيش‌بيني‌ناپذيرند. 

اما با توجه و مطالعه در كتاب تاريخ هردوت و برداشت جورج سارتون در كتاب تاريخ علم، ترجمه استاد احمد آرام،‌ اينجانب پيشنهاد زير را مطرح مي‌كنم: 

با توجه به روايت هردوت مي‌توان پنداشت كه نخستين شخصي كه به اين مدار بدون باد رسيد و آن را كشف كرد، ساتاسپ، دريانورد ايراني بوده است. معناي لغوي واژه ساتاسپ، دارنده يكصد اسب است و پسوند اسب در بسياري از نام‌هاي ايران باستان، از جمله، ويشتاسپ، گشتاسپ، جاماسب، بيوراسپ و ... به چشم مي‌‌آيد. پس از يورش بيگانگان، بسياري از نوشته‌ها و نوشتارهاي دانشمندان ايران، دستخوش نابود? گشت. اما اين سفر دريايي شگفت‌انگيز و منطقه بدون باد، همواره در انديشه و پندار دريانوردان، در هفت دريا، برجاي مانده بوده است. اينچنين مي‌توان انگاشت كه دريانوردان اين منطقه را به ياد كاشف و دريانورد ايراني، منطقه ساتاسپ، مي‌ناميده‌اند. اين نام مي‌توانسته از طريق اندلس مسلمان، به اسپانيا و به تمامي اروپا نفوذ كرده و سرانجام در دوران اقتدار دريايي اروپاييان، به ويژه انگليسي‌ها، اين منطقه با توجه به وجود واژه اسب horse در ريشه لغوي آن، به نام مدار اسبي و يا عرض جغرافيايي اسب؛ Horse Latitude، نامگذاري شده باشد. 

ساتاسپ 

به گفته هرودوت، در زمان فرمانروايي خشايارشا، ساتاسپ، خواهرزاده داريوش بزرگ، به اعدام محكوم شد. مادر ساتاسپ از خشايارشا خواهش كرد تا مجازات او را تغيير دهند و به مجازاتي كه به گفته او سنگين‌تر از مرگ بود، محكوم كنند: 

متن هرودوت: 

"و او را مامور سازند تا دور افريقا بگردد و به خليج عربستان (درياي سرخ) بازگردد. خشايارشا اين را پذيرفت و ساتاسپ به مصر رفت، از مصريان كشتي و جاشو گرفت و بادبان‌ها را بر افراشت و از ستون‌هاي هركول (جبل‌الطارق) گذشت. چون اين ستون‌ها را پشت سر گذاشت و دماغه افريقايي سولئيس (راس‌الحديق، عرض جغرافيايي 32 درجه و 40 دقيقه شمالي) را دور زد، به سوي جنوب به‌راه افتاد. ولي پس از آنكه چند ماهي بر دريا پيش رفت و هنوز راه درازي در پيش رو داشت، بازگشت و به سوي مصر رهسپار گرديد. پس از آن به نزد خشايارشا رفت و سرگذشت خود را نقل كرد و گفت كه در آن هنگام كه در دورترين فاصله بوده است، مردمي كوتاه قد را ديده كه با برگ خرما پوشاك خود را مي‌ساختند، و هرگاه كه وي و مردانش به ساحل نزديك مي‌شدند آن مردم از شهر خود به كوه مي‌گريختند. وي و مردانش چون به خشكي پياده مي‌شدند، آنچنان كه رسم ايرانيان است، هيچ بي‌عدالتي و نادرستي نكردند. علت اينكه مسافرت به دور افريقا را به پايان نرساند، بنا به گفته خود وي آن بوده است كه به جايي رسيده بودند كه ديگر كشتي رو به جلو نمي‌رفته و بر جاي خود متوقف مانده بوده است." 

اين سفر كه در زمان خود بسيار اعجاب‌انگيز بوده‌است و با كاوش‌هاي فضايي دهه 60 برابري مي‌كند پرسش‌هاي زير را مطرح مي‌سازد: 

ساتاسپ در كرانه غربي افريقا تا چه حد پيش رفته است؟ 

پس از گذر از سولئيس وي مدت چند ماه پيش‌راند تا به جايي‌كه كشتي ديگر پيش نمي‌رفت و بر‌جاي متوقف ماند رسيد. آيا وي به راستي به منطقه بي‌باد استوايي، هم عرض با دماغه سبز (Cape Verde) رسيده بود، يا اينكه بادهاي گرم و جريان دريايي رو به شمال در سواحل گينه مانع اين كار شده بود؟ 

آيا عرض جغرافيايي بدون باد Horse Latitude مانع از پيشروي وي شد؟ 

با توجه به حركـت‌هاي چندگانه محور زمين (رقص محوري، چرخه ميلانكويچ، ...) و دگرگوني‌هاي آب و هوايي و اقليمي، در 2500 سال پيش، اين مدار به طور دقيق در چه عرض جغرافيايي قرار داشته است؟ 

و آيا براي Horse Latitude نام پارسي ساتاسپ ( دارنده يكصد اسب) كه واژه اسب را هم در خود مستتر دارد، براي جايگزيني از هر نظر مناسب‌تر و شايسته‌تر از عرض جغرافيايي اسب نيست؟ 

عوامل تغییر دما 

عوامل تغییر دما را عبارتند از: 
فصول و طول روز 
 روزهای تابستان گرمتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع بالاتری در آسمان قرار دارد و طول روز بیشتر است. 
روزهای زمستان سردتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع پایین تری در آسمان قرار دارد و طول روز کوتاهتر است. 


جریان های اقیانوسی 
 جریان های آب گرم اقیانوسی، به عنوان مثال جریان آب گرم گلف استریم (Golf Stream) که موجب می شود آب های گرم استوایی به عرض های جغرافیایی بالاتر جابه جا شده و درنتیجه به عنوان مثال، هوای زمستانی در سواحل انگلستان گرم تر باشد. 

جریان های آب سرد اقیانوسی، برای مثال جریان های ایسلندی که آب سرد قطبی را به شرق کانادا می برد و موجب می شود دمای زمستانی ایالت متحده سردتر باشد. 


باد  سیستم جهانی باد، گرما و رطوبت را از عرض های جنب حاره ای به طرف عرض های جغرافیایی بالاتر انتقال می دهد. گرمای نهان تبخیر، هنگامی که هوای منقبض به طرف عرض جغرافیایی بالاتر می رود و چگالش روی می دهد، کاهش می یابد. 


عرض جغرافیایی  زاویه تابش خورشید با افزایش مسافت از استوا بزرگ تر می شود از این رو انرژی خورشیدی در ناحیه بزرگتری منتشر می گردد، در نتیجه میزان گرما کاهش می یابد. 


خشکی ها  زمین به سرعت گرم شده و به سرعت نیز سرد می گردد. درحالی که آب به کندی گرم شده و به کندی سرد می شود. این موجب می شود نواحی قاره ای افزایش دمایی زیادی داشته باشند در حالی که نواحی ساحلی کاهش دمایی بسیار زیادی دارند. 


ارتفاعات  اتمسفر در ارتفاعات بالاتر، نازک تر می شود. به ازای هر 100متر که از سطح زمین بالا می رویم دما 1 درجه سانتی گراد کاهش می یابد. 


پوشش ابر  ابرها، تابش های موج بلند صادر شده از زمین را به زمین منعکس می نمایند که این موجب می شود دما پایدارتر مانده و کمتر نوسانات بزرگ نماید. 


مشخصه های سطوح 
 سطوح متفاوتند: 
زمین های فاقد پوشش به سرعت گرم و به سرعت سرد می شوند. در صورتی که زندگی گیاهی موجب ایجاد سایه ها شده و در نتیجه دما را معتدل می سازد. 

آب نیز به کندی گرم می شود و گرما را در خود نگه می دارد. 


جهت گیری دامنه ها  دامنه های آفتاب گیر گرمای بیشتری را نسبت به دامنه های که در مقابل تابش مستقیم آفتاب قرار ندارند، دریافت می کنند. 

نیمکره شمالی دامنه های جنوبی از دامنه های شمالی گرم ترند. 

منبع: 
John Harris-Head of Geography-Radley College 

پرسش و پاسخ: 
سوال: کدام ناحیه جهان در زمستان روز دارد در حالیکه خورشید دیده نمی شود و ساعات درخشش خورشید وجود ندارد؟

پاسخ: در مکان هایی که بین مدار قطب شمال و جنوب قرار دارند. 

سوال: چرا زمستان های سواحل شرقی افریقای جنوبی در مقایسه با سواحل غربی آن سردتر است؟

پاسخ: جریان هوای گرم عربی در سواحل شرقی تاثیر می گذارد در حالیکه جریان های سرد بنگلادشی در سواحل غربی موثرند. 

سوال: کدام سیستم باد، هوای گرم و مرطوب را از جنب حاره ای به طرف اروپا می آورد؟

پاسخ: بادهای جنوب غربی 

سوال: سواحل جزیره ونکوور کانادا در زمستان، نسبت به نواحی دور از ساحل آن، دماهای بیشتری دارد یا کمتر؟

پاسخ: دمای بیشتر، و علت آن این است که دریا، گرما را برای مدت طولانی در خود نگه می دارد در حالیکه زمین به سرعت در زمستان سرد می شود. 

سوال: نوسانات روزانه دما در نواحی گرم بیابانی مانند بیابان ماهارا را انتظار دارید یا در نواحی معتدل و مرطوب مانند انگلستان؟

پاسخ: نواحی معتدل و مرطوب مانند انگلستان 

سوال: تغییرات دمای روزانه در نواحی جنگلی بیشتر است یا نواحی صخره ای بدون پوشش گیاهی؟

پاسخ: در نواحی صخره ای بدون پوشش گیاهی 

سوال: کدام دامنه ها درنیمکره جنوبی گرم ترند، دامنه های شمالی یا جنوبی؟

پاسخ: دامنه های شمالی 

سوال: چنانچه در سطح دریا دما 20 درجه سانتی گراد باشد در نوک کوهی با ارتفاع 1000 متر دما چقدر خواهد بود؟

پاسخ: 10 درجه سانتی گراد