فصل ۱۰: گرما و بهینه‌سازی مصرف انرژی

در این فصل، نخست با مفهوم دما و دماسنجی آشنا می‌شویم و سپس گرما، روش‌های انتقال آن و عایق‌بندی گرمایی را می‌شناسیم. دانستن این مفاهیم به ما کمک می‌کند بفهمیم گرمای خانه و مدرسه از کجا می‌آید و چگونه می‌توان از هدر رفتن آن جلوگیری کرد. پس از این فصل، انتخاب لباس زمستانی، پنجرهٔ دوجداره یا تنظیم دمای رادیاتور برای ما یک تصمیم علمی خواهد بود.

دمای محیطی که در آن زندگی می‌کنیم و وسیله‌هایی که روزانه با آن‌ها سر و کار داریم، معمولاً تأثیر زیادی بر کار و فعالیت ما دارند. مثلاً در زمستان برای گرم کردن خانه، مدرسه یا محل کار و در تابستان برای خنک کردن این محیط‌ها، کارهای زیادی انجام می‌دهیم (شکل ۱). حتی پوشش ما نیز بسته به فصل‌های سال تغییر می‌کند و از وسیله‌های گرم کردن یا سرد کردن مدرسه و خانه استفادهٔ متفاوتی می‌شود.

جست‌وجوی حیات روی سیاره‌های دیگر بر اساس وجود آب در حالت مایع در آن سیاره انجام می‌شود؛ زیرا در صورتی آب به حالت مایع وجود خواهد داشت که دمای محیط مناسب باشد. به همین دلیل هنگام بررسی سیاره‌هایی مانند بهرام (مریخ)، دانشمندان نخست به‌دنبال نشانه‌هایی از آب مایع می‌گردند. این نکته نشان می‌دهد چرا دما یکی از مهم‌ترین موضوع‌های علوم تجربی است.

گیاهان و جانوران نیز تحت تأثیر محیطی هستند که در آن زندگی می‌کنند. به همین دلیل است که شکل گیاهان و جانوران مشابه در منطقه‌های گرمسیری، با گیاهان و جانوران منطقه‌های سردسیری تفاوت دارد (شکل ۲). خرس قطبی با پوشش ضخیم بدنش، نمونهٔ آشنایی از جانوری است که خود را با سرمای شدید وفق داده است.

در جدول زیر برای هر جسم، نخست دما را پیش‌بینی کنید و سپس با استفاده از یک دماسنج آن را اندازه‌گیری و جدول را کامل کنید و به کلاس گزارش دهید. دقت کنید برای اندازه‌گیری دما، دماسنج به اندازهٔ کافی در تماس با جسم مورد نظر قرار گیرد. چنین تمرین‌هایی مهارت پیش‌بینی و اندازه‌گیری شما را تقویت می‌کند.

فعالیت صفحهٔ ۸۸ کتاب — نخست پیش‌بینی کن، سپس اندازه‌گیری کن و نتیجه را با پیش‌بینی‌ات مقایسه کن.

هرگاه یک سر میلهٔ فلزی را روی شعله قرار دهید، طولی نمی‌کشد که سر دیگر آن که در دست شماست، آن‌قدر داغ می‌شود که دیگر نمی‌توانید آن را نگه دارید. گرما از سری که روی شعله قرار دارد وارد میله می‌شود و آن را داغ می‌کند. با توجه به اختلاف دمای دو سر میله، گرما از سر داغ به سمت سر سرد میله منتقل می‌شود (شکل ۶). این نوع انتقال گرما را رسانش گرمایی می‌نامیم.

در این رسانش گرمایی، گرمای شعله سبب می‌شود جنبش اتم‌های بخشی از میله که در تماس با شعله است بیشتر شود و دمای این بخش نیز بالا برود. لحظاتی بعد، این بخشِ گرم‌شده به بخش کناری‌اش که هنوز سرد است انرژی می‌دهد و بخش کناری را گرم می‌کند. به این ترتیب در مدت زمان کوتاهی کل میله گرم می‌شود (شکل ۷).

آزمایش نشان می‌دهد برخی از فلزها نسبت به فلزهای دیگر رساناهای بهتری برای گرما هستند؛ به همین دلیل در آزمایش سه میله، چوب‌کبریت‌ها با فاصله‌های زمانی متفاوتی می‌افتند. پشم شیشه و فایبرگلاس به علت داشتن هوای محبوس، نارساناهای خوب گرما هستند. همین ویژگی، پایهٔ ساخت بسیاری از عایق‌های ساختمانی و لباس‌های زمستانی است.

آیا تاکنون آب در حال جوش را در یک ظرف شیشه‌ای دیده‌اید؟ حباب‌های تشکیل‌شده به سمت بالا حرکت می‌کنند و همراه با حرکت حباب‌ها، آب داغ نیز از ته ظرف به سمت بالا حرکت می‌کند. وقتی آب داغ بالا می‌رود، آب سرد بالای ظرف به سمت پایین حرکت می‌کند؛ در واقع آب با جابه‌جا شدن، گرما را منتقل می‌کند (شکل ۸). به این روش انتقال گرما، همرفت می‌گویند.

جریان‌های همرفتی در هوا نیز رخ می‌دهد و جریان همرفتی در هوا به صورت باد مشاهده می‌شود. مثلاً در طول روز، ساحل دریا (خشکی) زودتر از آب دریا گرم می‌شود و دمای آن از دمای آب بالاتر می‌رود. هوای روی ساحل گرم می‌شود و به طرف بالا می‌رود؛ در نتیجه هوای خنک بالای آب به طرف ساحل می‌آید و حاصل این فرایند، نسیم دریا است (شکل ۹).

اگر دمای خیلی از چیزها را واپایش (کنترل) نکنیم، ممکن است خراب شوند. مثلاً اگر دمای موتور خودرو خیلی بالا برود، موتور آسیب جدی می‌بیند و حتی ممکن است بسوزد. برای جلوگیری از این اتفاق، سامانهٔ خنک‌کنندهٔ خودرو طراحی شده است تا انرژی گرمایی موتور را به رادیاتور منتقل کند.

رادیاتورها از جنس فلز، تیره‌رنگ و با سطح بزرگ ساخته می‌شوند. این طراحی سبب انتقال خیلی خوب گرما از موتور خودرو به هوای بیرون، به هر سه روش رسانش، همرفت و تابش خواهد شد. علاوه بر این، خودروها پنکه‌های (فن) خنک‌کننده نیز دارند؛ هنگامی که موتور داغ شود، پنکه‌ها روشن می‌شوند و سبب دور شدن هوای داغ اطراف رادیاتور می‌گردند.