دنیای فیزیک

یک بطری کوچک( یا ظرف شیشه ای کوچک) را بر دارید، توی آن آب بریزید و در قابلمه پر از آب خالص که روی آتش است، بگذارید، به طوری که ته ظرف شیشه ای با ته قابلمه تماس پیدا نکند، البته باید ظرف شیشه ای را با سیمی با سیمی آویزان کنید. وقتی آب قابلمه به جوش ی آید باید آب ظرف شیشه ای هم به جوش بیاید. می توانید هر چه دلتان می خواهد منتظر بشوید ، اما آب ظرف شیشه ای به جوش نخواهد آمد. آب ظرف شیشه ای داغ می شود ، خیلی هم داغ می شود، اما جوش نمی آید. معلوم می شود آب جوش آن قدر داغ نیست که برای جوش آوردن آب کافی باشد. 

ظاهراً این پدیده غیر منتظره است ، اما می بایست آن را پیش بینی کرد و منتظر آن بود. برای آن که آب به جوش آید، کافی نیست که آن را فقط تا 100 درجه سانتی گراد گرم بکنیم. باید باز هم مقدار زیادی به آن حرارت داد تا به حالت دیگر، یعنی به حالت بخار در آید. 

آّب خالص در 100 درجه سانتی گراد به جوش می آید. در شرایط معمولی هر قدر هم آن را گرم بکنیم ، حرارتش از 100 درجه بالاتر نمی رود. بنابراین این منبع حرارتی که ما با آن آب ظرف شیشه ای را گرم می کنیم، 100 درجه حرارت دارد و           می تواند حرارت آب ظرف شیشه ای را فقط به 100 درجه برساند. وقتی میان حرارت آب قابلمه و ظرف شیشه ای تعادل برقرار شد، دیگر حرارت از آب قابلمه به ظرف شیشه ای نمی رود. بنابراین وقتی آب ظرف شیشه ای را به این طریق گرم می کنیم ، نمی توانیم حرارت اضافی لازم برای تبدیل شدن آب به بخار را به آن بدهیم.( برای آن که یک گرم آب با دمای 100 درجه تبدیل به بخار شود ، بیش از 500 کالری دیگر حرارت لازم است.) به این دلیل است که آب ظرف شیشه ای گرم می شود ، اما جوش نمی آید. 

ممکن است چنین سوالی پیش آید: آب ظرف شیشه ای با آب قابلمه چه تفاوتی دارد؟ در ظرف شیشه ای نیز همان آب است، منتهی با دیواره شیشه ای از از آب قابلمه جدا شده است. پس چرا این آب هم مثل آب قابلمه به جوش نمی آید؟ 

دیواره مانع می شود که آب ظرف شیشه ای در جریانی که آب قابلمه به هم می زند ، شرکت داشته باشد. هر ذره آب قابلمه می تواند با ته بسیار داغ قابلمه تماس پیدا کند، اما آب ظرف شیشه ای فقط با آب جوش تماس پیدا می کند. بدین ترتیب دیدیم که با آب جوش خالص نمی توان آب را به جوش آورد. اما کافی است که در قابلمه یک مشت نمک بریزیم تا وضع به کلی عوض شود. آب جوش نه در صد درجه حرارت ، بلکه قدری بیشتر جوش می آید، بنابراین می تواند آب خالص ظرف شیشه ای را به جوش آورد.

برگرفنه از کتاب سرگرمی های فیزیک

آذر سنج چه نوع ترمومتریست ؟

آذرسنج (Optical Pyrometer)
این نوع دماسنج که به آن دماسنج غیر تماسی هم گفته می شود ، بر پایه رنگ نور انتشار یافته از جسم بوده که در نهایت دمای جسم مورد نظر را براساس را اندازه گیری میکنیم این حقیقت که تمامی اجسام سیاه یک اندازه دمایی نور نشان خواهند داد ، نتیجه میگیریم که دامنه کاربردی این نوع دماسنج در دماهای بالای سرخ بوده و برای آهن تقریبا بالای 500 درجه سانتی گراد می باشد.

طرز کار:
نور ایجاد شده توسط جسم از درون یک سیستم اپتیکال (با بزرگ نمایی معین) که در درون آن یک لامپ گداخته کوچک فرار داده شده ، گذرانده می شود . (بدین ترتیب اگر کسی از درون چشمی بدرون این سیستم نگاه می کند ، نوری بسیار باریکی را ملاحظه خواهد کرد.) در برخورد این نور با فیلمان لامپ ، جریانی را از فیلمان عبور خواهد داد که تعیین کننده میزان دمای جسم است. این جریان توسط پتانسیومتری که بین منبع تغذیه (یک باطری) و لامپ قرار داده شده کنترل میگردد. برای نمایش دما از یک آم متر (ammeter ) استفاده میگردد. دامنه آم متر از 900F برای دمای 500 درجه سانتی گراد تا3000F برای دمای 1600 درجه سانتی گراد متغییر است.

آذرسنج ثبتگر و کنترلگر
در اغلب تأسیسات صنعتی، تنها نشان دادن دما توسط دستگاه کافی نیست و باید با قراردادن یک قلم متحرک به جای عقربه پتانسیل سنج دما را ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج ثبتگر نام دارد. همچنین با استفاده از مدارهای الکتریکی در دستگاه میتوان جریان گاز به مشعلها یا جریان برق به عنصرهای گرمایی را کنترل و دمای کوره را در مقدار مورد نظر ثبت کرد. این دستگاه آذرسنج کنترل گرنام دارد. امکان طراحی وسیله ای برای ثبت و کنترل دما متشکل از یک یا چند ترموکوپل نیز هست.

آذرسنج تابشی
اصول کارکرد آذرسنج تابشی بر پایه یک منبع تابشی استاندارد به نام جسم سیاه یا تابشگر کامل قرار دارد. تابشگر کامل، جسمی فرضی است که کلیه پرتوهای تابیده به خود را جذب می کند. در دمایی یکسان، چنین جسمی سریعتر از هر جسم دیگر از خود انرژی می تابد. آذرسنج های تابشی، عموماً برای نشان دادن دمای تابشگر کامل یا دمای حقیقی درجه بندی می شوند.

آذر سنج نوری
ابزار تشریح شده در قسمت قبل که به تمام طول موجهای تابش پاسخ می دهد آذر سنج تابشی نام دارد. با اینکه اصول کارکرد آذر سنج نوری با اذر سنج تابشی یکسان است اما آذر سنج نوری با طول موج منفرد یا نوار باریکی از طول موج طیف مرئی کار میکند. آذر سنج نوری، دما را از طریق مقایسه درخشندگی نور گسیل شده توسط منبع، با نور گسیل شده از یک منبع استاندارد، اندازه می گیرد. برای سهولت مقایسه رنگها، یک فیلتر قرمز که تنها طول موج پرتو قرمز را عبور میدهد به کار می رود.

متداول ترین نوع آذرسنج نوری که در صنعت به کار می رود، نوع رشته پنهان شونده است. این آذرسنج شامل دو قسمت، یک تلسکوپ و یک جعبه کنترل است. تلسکوپ شامل یک فیلتر شیشه ای قرمز که جلوی چشمی نصب شده و یک لامپ با رشته درجه بندی شده است که عدسی های شیء تصویر از جسم مورد آزمایش را بر آن متمرکز می کند. این دستگاه دارای یک کلید برای بستن مدار الکتریکی لامپ و یک پرده جاذب برای تغییر گستره اندازه گیری دما توسط آذرسنج است.

گستره کاری آذرسنج نوری مورد بحث، از ˚760 تا  ˚1315 است. حد بالایی دما تا اندازه ای بستگی به خطر خراب شدن رشته و میزان خیره کنندگی ناشی از درخشش در دماهای بالاتر دارد. گستره دما ممکن است با به کارگیری پرده جاذب بین عدسی شیء و شبکه رشته به حد بالاتری افزایش یابد و به این وسیله سازگاری درخشش در دماهای پایینتر رشته ممکن می شود.بدین ترتیب با استفاده از دماهای پایینتر رشته، میتوان آذرسنج را برای دماهای بالاتر درجه بندی کرد. با به کارگیری پرده های جاذب مختلف، حد بالایی آذرسنج نوری را میتوان تا( ˚5500 تا ˚10000) یا بیشتر افزایش داد.

برخی از مزایای اذرسنج نوری و تابشی عبارتند از:

1. اندازه گیری دماهای بالا؛

2. اندازه گیری دمای اجسام دور از دسترس؛

3. اندازه گیری دمای اجسام کوچک یا متحرک؛

4. هیچ یک از قسمتهای دستگاه در معرض آثار مخرب گرما نیست.

محدودیتهای انها عبارتند از :

چون سازگاری نورسنجی بستگی به قضاوت فردی دارد، خطاهایی روی می دهد؛

به خاطر وجود دود یا گاز بین ناظر و منبع اشتباهاتی پدید می آید؛

بسته به میزان انحراف از شرایط تابشگر کامل خطا ایجاد می شود.

ماوس را روي مربع قرمز نگه داشته و آن را حركت دهيد.

سعي كنيد مربع قرمز رنگ با ديواره و مربع/مستطيل هاي آبي رنگ برخورد نكند.

اگر بتوانيد بيشتر از 45 ثانيه از برخورد جلوگيري كنيد، شما يك نابغه هستيد!

گفته شده خلبانان نيروي هوايي آمريكا تا 2 دقيقه مي توانند به بازي ادامه بدهند!

|

امتیاز مطلب : 17

|

تعداد امتیازدهندگان : 4

|

مجموع امتیاز : 4

موضوعات مرتبط: سرگرمی , ,

بی شک حس لامسه اولین ابزار بشر برای اندازه گیری دما بوده است.

اما این حس چقدر دقیق است؟ 

اگر در روزهای برفی زمستان به مدت زیاد برف بازی کرده باشید، به خاطر می آورید وقتی به خانه برمی گشتید و دستان سرد خود را روی بخاری یا زیر آب گرم می گرفتید، تشخیصی از گرمای هوا یا آب نداشتید. بلکه برعکس به نظرتان آب یا هوا، سرد می آمد. در واقع این اشتباه از اینجا ناشی می شود که حواس ما در سرمای زیاد تقریبا کارایی خود را از دست می دهند و دیگر تشخیص درستی از سرما و گرما ندارند. پس ظاهرا حس لامسه با وجود اینکه اولین و در دسترس ترین ابزار تعیین دماست، چندان دقیق و مناسب نیست. اندازه گیری دما با «دماسنج» امکان پذیر است. 

در قرن دوم میلادی یک فیزیکدان یونانی به نام گالن ثابت کرد که می توان حس هایی مثل سرما و گرما را به کمک وسیله ای شامل یک ستون چهار درجه ای اندازه گیری کرد. این نظریه تا پایان قرن شانزدهم پایه ای بر تعلیمات پزشکی بود.

نخستین وسیله واقعی علمی را برای اندازه گیری دما در سال 1593 گالیله اختراع کرد. این دستگاه به طور کیفی،(نه از نظر کمی و مقدار معین دما) اثر گرما را در انبساط هوا نشان می داد. دماسنج ساده آن زمان شامل یک حباب و یک لوله شیشه ای بود که درون آن آب رنگی قرار داشت وقتی حباب گرما می دید، هوای داخل آن منبسط می شد و از دهانه لوله باریک و بلند خارج می گردید. سپس حباب به طور وارونه به داخل آب قرار داده می شد. هوای جمع شده داخل حباب به هنگام خروج، آب اطراف آن را بالا می برد. تغییرات بعدی میزان ارتفاع آب، نشانگر گرمای هوای متراکم داخل حباب بود. وسیله گالیله مقیاسی واقعی برای سنجش دما نبود ه طوری که وسیله وی بیشتر جنبه دمانما (ترموسکوپ) داشت تا جنبه دماسنج( ترمومتر). برای مثال برای اندازه گیری دمای بدن، شخص بیمار دست خود را در اطراف حباب می گذاشت و با دمای بدن شخص سالم مقایسه می شد.

بعدها عده ای میزان دمای خون و عده ای دیگر دمای ذوب کره و... را مبنای مدرج سازی دماسنج قرار دادند. تا در سال 1714 گابریل دانیل فارنهایت موفق شد، دماسنجی بسازد که امروز استفاده می شود. فارنهایت در شهر دانزیگ واقع در کشور مشترک المنافع  لهستان و لیتوانی متولد شد و بعد از مرگ والدینش در سن کودکی به هلند رفته و بقیه عمر خود را به تحصیل در رشته شیمی پرداخته و موفق به ساخت دماسنج الکلی و در نهایت جیوه ای شد. ذوق و حرفه اصلی وی ساختن وسایل هواشناسی بود. چون در آن زمان برای مطالعه اقلیم ها دماسنج ضرورت داشت. او توجه خاصی به ساختن اسباب اندازه گیری دما کرد. در قرن هفدهم نوعی دماسنج گازی و الکلی ساخته شده بود که دقت کافی نداشتند. فارنهایت جیوه را مورد استفاده قرار داد و در سال 1714 میلادی دماسنجی جیوه ای ساخت. وی نخست راه را برای پاک سازی جیوه اختراع کرد. به طوری که جیوه دیگر به دیواره های لوله باریک نمی چسبید. دماسنج جیوه ای دارای این مزیت بود که اندازه گیری دماهای بالاتر از نقطه جوش و پایین تر از نقطه انجماد آب را ممکن می ساخت. از این گذشته میزان انبساط و تراکم جیوه به نسبت ثابت تر از غالب مواد دیگر است. به همین دلیل درجه بندی دقیق آن مقدور بود.

بر اساس مقاله ای که در 1726 توسط او نوشته شده، مقیاس او بر اساس سه نقطه پایه گذاری شده است. نقطه اول دمای مخلوط یک به یک آب و یخ و نشادر است که به عنوان صفر در نظر گرفته شده است. نقطه بعدی دمای مخلوط یک به یک آب خالص و یخ است و نقطه سوم دمای بدن انسان است. فارنهایت بعد از مشاهده فاصله این نقاط از هم به این نتیجه رسید که فاصله نقطه ذوب یخ خالص و یخ با نشادر نصف فاصله نقطه ذوب یخ خالص از دمای بدن است. پس برای سادگی تقسیم بندی بین این نقاط فاصله ها را به دو مقدار 32 قسمتی و 64 قسمتی تقسیم نمود که با نصف کردن چندباره فاصله ها امکان پذیر است. پس در مقیاس او دمای ذوب یخ خالص برابر با 32 و دمای بدن برابر با 96 درجه (64+32) اندازه گیری شد. فارنهایت مشاهده کردکه آب با این مقیاس در 212 درجه به جوش می آید. بعدها دانشمندان در این مقیاس تغییراتی دادند تا نقطه ذوب یخ دقیقا 32 درجه و دمای جوش آب 212 درجه در نظر گرفته شود و فاصله آنها 180 واحد باشد. به خاطر همین تغییرات دمای بدن انسان در این مدل 98 درجه به دست آمد.

آندره سلسیوس، دماسنج خود را در سال 1742 اختراع کرد. مقیاس او بر اساس دو نقطه پایه گذاری شده است. نقطه اول
دمای مخلوطی از آب و یخ در حال تعادل و تحت فشار جو و نقطه بعدی دمای مخلوط آب و بخار در حال تعادل در فشار جو است و بین این دو را به 100 قسمت مساوی تقسیم کرد و هر قسمت را یک درجه سانتی گراد(این نام از واژه التین centum به معنی «100» و gradus به معنی «گام» یا «مرحله»گرفته شده است.) او ابتدا نقطه جوش آب را صفر و نقطه انجماد آب را 100 تعیین کرد، اما سال بعد این روش را معکوس کرد و این همان درجه بندی است که به درجه بندی سلسیوس یا سانتی گراد یا صدبخشی معروف است.

 همه ما با 3 حالت ماده یعنی جامد ، مایع و گاز آشنایی داریم. ممکن است برخی از شما تا به حال نام حالت چهارم ماده یعنی پلاسما را نیز شنیده باشید و یا اطلاعاتی راجع به آن داشته باشید اما مطمئنا بسیاری از شما از حالت پنجم و ششم ماده یعنی چگال بوز – انیشتن و چگال فرمیونی، و همچنین خواص آنها بی اطلاعید. در این جا قصد داریم شما را با هر 6 حالت ماده و ویژگی های آنها آشنا کنیم.

1-جامد
مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می کنند و سفت و شکننده هستند. برای درک چگونگی این موضوع می توان جامدات را اینگونه تعریف کنیم.
در حالت جامد ، نیروهای بین مولکولی ، بقدری قویتر از انرژی جنبشی هستند که باعث سخت شدن جسم در نتیجه عدم جاری شدن آن می گردند. جامدات شکل و حجم معینی دارند. در جامدات فاصله مولکولها مانند فاصله آنها در مایع است ولی در جامدات مولکول ها نمیتوانند مانند وضعیتی که در حالات مایع و گاز دارند، آزادانه به اطراف حرکت کنند و در مکانهای خاصی قرار می گیرند و فقط میتوانند در اطراف این مکانها حرکت نوسانی رفت و برگشتی بسیار کوچک انجام دهند.
این حرکت نوسانی ، بخصوص در جامدات بلورین ، کاربردهای صنعتی و علمی زیادی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد.

2- مایع

در حالت مایع ، مولکولها در مقایسه با حالت گاز خیلی به هم نزدیکترند بطوریکه نیروهای مابینشان قویتر از انرژی جنبشی آنان میباشد. از طرف دیگر ، نیروها آنقدر قوی نیستند که قادر به ممانعت از حرکت مولکولها گردند. از این روست که جریان مایع از ظرفی به ظرف دیگر شدنی است، اما نسبت سرعت جاری شدن آب در مقایسه با مایعات دیگر از قبیل روغنها و گلسیرین بسیار متفاوت است که این تفاوت در سرعت جاری شدن ، میزان مقاومت یک مایع در مقابل جاری شدن ،یعنی ویسکوزیته آن نامیده می شود که خود تابعی از شکل ، اندازه مولکولی ، دما و فشار می باشد. بنابراین مایعات حجم معین و شکل نامعینی دارند.

3-گاز
به طور کلی می توان گازها را اینگونه تعریف کرد ؛
گاز ها کم چگالند و ساده متراکم می شوند و نه تنها شکل ظرف خود را می گیرند بلکه آنقدر منبسط می شوند تا ظرف را کاملا پر کنند.
اما اگر بخواهیم گازها را بهتر بشناسیم می توانیم بگوییم که ؛
حالت فیزیکی مواد در شرایط طبیعی فشار و دما ، بستگی به اندازه مولکولی و نیروهای بین آنها دارد. اگر مقدار کمی از یک گاز ، در یک تانک نسبتا بزرگی قرار گیرد، مولکولهای آن با سرعت در سرتاسر تانک پخش می شوند. پخش سریع مولکولهای گاز دلالت بر آن میکند که نیروهای موجود بین مولکولها ، بمراتب ضعیفتر از انرژی جنبشی آن است و از آنجایی که ممکن است مقدار کمی از یک گاز در سرتاسر تانک یافت شود، نشان دهنده آن است که مولکولهای گاز باید نسبتا از هم فاصله گرفته باشند. بنابراین گازها شکل و حجمشان بستگی به ظرفی دارد که در آن جای دارند.
در حالت گازی ، مولکولها آزادانه به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر و نیز با دیواره ظرف برخورد می کنند. فاصله مولکولها در حالت گازی در حدود چند ده برابر فاصله آنها در حالت مایع و جامد است. 

4- پلاسما

حالت چهارم ماده، پلاسما، شبيه گاز است با اينتفاوت كه ذرات سازنده آن يون ها )و نه اتم ها( و الکترون هاي آزاد مي باشند. پلاسما از نظر الکتريکي خنثي است. اين حالت ماده در محيط
روزمره ما چندان متداول نيست، ولي رايج ترين حالت ماده در كل عالم است. خورشيد و ساير ستارگان بيشتر از پلاسما تشکيل شده اند. پلاسما اغلب بسيار داغ است ولي در دماهاي پايين نيز مي توان با بمباران اتم ها با پرتوهاي پرانرژي پلاسما را ايجاد كرد. پلاسما جريان الکتريکي را به خوبي هدايت مي كند و مي توان به كمك ميدان هاي الکتريکي و مغناطيسي آن را به حركت درآورد. در زندگي روزمره، پلاسما را مي توان در لامپ هاي مهتابي)و كم مصرف(، چراغ هاي نئون تبليغاتي، صفحه نمايش تخت تلويزيون و گازهاي خروجي از موتور جت مشاهده كرد. در طبيعت، شفق شمالي و جنوبي، پلاسماهاي تابان در جو بالايي زمين اند.

5-چگال بوز – انیشتن
حالت پنجم با نام ماده چگال بوز-انیشتن(Booze-Einstein condensate)  که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام بوزونها (Bosons)تا دماهایی بسیار پایین پدید می آید. بوزونهای سرد در هم فرومی روند و ابر ذره هایی که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره های معمولی ، شکل می گیرد. ماده چگال بوز-انیشتن شکننده است و سرعت عبور نور در آن بسیار کم است.

6-چگال فرمیونی
حالت تازه ماده چگال فرمیونی (Fermionic condensate) است. “دبورا جین” (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز ۱۳۸۲ ، موفق به کشف این شکل تازه ماده شده است، می گوید”: وقتی با شکل جدیدی از ماده روبرو میشوید، باید زمانی را صرف شناخت ویژگیهایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم با جرم اتمی ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدید آوردند. این اتمها در چنین دمایی بدون گرانروی جریان مییابند و این ، نشانه ظهور ماده ای جدید بود.
در این حالت اتمهای پتاسیم بدون آنکه چسبندگی میان آنها وجود داشته باشد ، بصورت مایع جریان یافتند . حالت چگالیده فرمیونی تا حدی شبیه چگالش بوز- اینشتین است .
هر دو حالت از اتمهایی تشکیل شده اند که این اتم ها در دمای پایین به هم می پیوندند و جسم واحدی را تشکیل می دهند . در چگالش بوز- اینشتین اتم ها از نوع بوزون هستند در حالیکه در چگالش فرمیونی اتم ها فرمیون هستند.

سماوری که گنجایش 30 استکان آب را دارد، پر از آب است. استکان را زیر شیر سماور می گذارید، ساعت را به دست      می گیرید و از روی عقربه ثانیه شمار می بینید که استکان در چه مدت تا لب پر از آب می شود. فرض می کنیم در نیم دقیقه . حال چنین سوالی می دهیم : اگر سیر سماور را باز بگذاریم ، سماور در چه مدت خالی می شود؟ 

ظاهراً این مسآله ی حساب ساده و کودکانه است: یک استکان آب در 1/2 دقیقه می ریزد پس 30 استکان در 10 دقیقه.

اما آزمایش کنید. معلوم می شود که سماور بر خلاف انتظار شما ، نه در یک ربع ساعت بلکه در نیم ساعت خالی می شود. مسأله از چه قرار است؟ 

نباید فکر کرد سرعت ریزش آب از اول تا آخر یکسان است و تغییر نمی کند. وقتی یک استکان آب از سماور ریخت ، آب از شیر سماور با فشار کمتری می ریزد. زیرا سطح آب در سماور پایین آمده است. معلوم است که استکان دوم در مدتی بیش از استکان اول و استکان سوم در مدتی بیش از استکان دوم پر خواهد شد و همین طور تا آخر. 

سرعت جریان هر مایع از سوراخ ظرف سرباز با ارتفاع ستون مایعی که بالاتر از سوراخ است ، نسبت مستقیم دارد. توریچلی دانشمند نابغه و شاگرد گالیله نخستین کسی بود که این نسبت را تعیین کرد و با فرمول ساده زیر نشان داد:           2gh√

در این فرمول v سرعت جریان آب، g شتاب گرانش و h ارتفاع سطح مایع بالای سوراخ می باشد. از این رابطه نتیجه         می شود که سرعت جریان مایع از سوراخ به هیچ وجه به وزن مخصوص مایع بستگی ندارد. الکل سبک و جیوه سنگین وقتی ارتفاع سطح آن ها از سوراخ به یک اندازه باشد با سرعت یکسانی خواهند ریخت. از فرمول معلوم می شود که در ماه که نیروی ثقل 6 بار کمتر از زمین است ، برای پر شدن استکان زمانی تقریباً 2/5 برابر زمان لازم در زمین لازم است. 

حال به مسآله ای که اول طرح کرده بودیم بر می گردیم . اگر پس ار ریختن 20 استکان آب ازسماور ارتفاع سطح آب بالای سوراخ شیر سماور چهار بار کمتر شود ، استکان بیست و یکم در مدت زمانی دو برابر استکان اول پر خواهد شد. اگر بعد از مدتی ارتفاع سطح آب سماور 9 بار کمتر شود ، برای پر کردن استکان بعدی مدت زملان سه بار بیشتر از استکان اول ، لازم خواهد بود. همه می دانند که وقتی سماور خالی است آب از شیر آن چقدر آهسته می ریزد. اگر این مسآله را با اصول ریاضیات عالی حل کنیم، می  توان ثابت کرد که زمان لازم برای کاملاً خالی شدن ظرف دو بار بیتر از زمانی است که چنانچه سطح اولیه مایع ثابت بماند، برای ریختن همان مقدار مایع لازم است.

برگرفنه از کتاب سرگرمی های فیزیک

قوطی فلزی تا نیمه پز از آب سرد را می جوشانیم در اثر این کار مقداری از اب درون قوطی بخار می شود. اگر مجددا قوطی را در داخل آب سرد قرار دهیم مقداری از بخار آب درون قوطی بسته در اثر عمل میعان به آب تبدیل میشود و تعداد مولکولهای هوا در درون قوطی کاهش می یابد در نتیجه فشار مولکولهای بیرون قوطی افزایش و باعث مچاله شدن قوطی میشود. با این آزمایش ما به قدرت فشار هوا پی میبریم. 

یک ظرف را لبا لب پر از آب کنید.به نظر می رسد که شاید یک سکه در داخل ظرف جا بگیرد.نوک تیز سکه را آهسته در آب فرو می بریم و رها میکنیم. یک ، دو ، سه سکه به ته ظرف می افتد ، اما آبی بیرون نمی ریزد. باز هم در ظرف سکه می اندازیم . ده ، بیست ، سی ، چهل ، پنجاه ولی بازهم آبی بیرون نمی ریزد. به نظر شما کلید حل مساله در چیست؟

فصل اول- سری اول

فصل اول- سری دوم

|

امتیاز مطلب : 1

|

تعداد امتیازدهندگان : 1

|

مجموع امتیاز : 1

موضوعات مرتبط: نمونه سوال , ,

هيدروژن فراوان ترين عنصر طبيعت محسوب مي شود بنابراين دانشمندان در تلاش اند تا راهي بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كرد. 

آزمايشات انجام گرفته در ايستگاه فضايي بين المللي مي تواند حركت به سوي اقتصاد مبتني بر هيدروژن را تسريع كند. تصور كنيد براي سوخت گيري خودروتان به سمت جايگاه سوخت رساني حركت مي كنيد، دهانه لوله سوخت رساني را وارد مخزن سوخت خودرو مي كنيد، اما سوختي كه مصرف مي كنيد، از نوع سوخت هاي متداول نيست بلكه هيدروژن است. هيدروژن گازي بي رنگ و بي بو است كه از سوختن آن فقط بخار آب حاصل مي شود كه سريع و بدون هيچ خطري توسط محيط اطراف جذب مي شود. يك كيلوگرم از هيدروژن تقريباً سه برابر همين ميزان بنزين انرژي آزاد مي كند. 

و اين در حالي است كه هيدروژن فراوان ترين عنصر طبيعت محسوب مي شود! پس جاي تعجب نيست كه چرا دانشمندان در تلاش اند تا راهي بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كنند. ال ساكو مدير مركز توليد مواد پيشرفته تحت جاذبه ضعيف (CAMMP) در دانشگاه نورسسترون بوستون كه زير نظر ناسا مشغول فعاليت است در اين زمينه مي گويد: «ده ها شركت از جمله بزرگ ترين شركت هاي سازنده خودرو، موتورهايي را طراحي كرده اند كه از هيدروژن به عنوان سوخت استفاده مي كند. اين موتورها بسيار شبيه به موتورهاي احتراق داخلي هستند كه ما امروزه به طور گسترده اي از آنها استفاده مي كنيم. سلول هاي سوختي - يكي ديگر از منابع ممكن براي توليد نيرو در خودروها - نيز از هيدروژن استفاده مي كنند. براي آنكه استفاده از اين فناوري ها در زندگي روزمره ممكن شود، لازم است دانشمندان راهي براي ذخيره سازي و انتقال ايمن هيدروژن بيابند كه از لحاظ هزينه به صرفه بوده و با هزينه هاي استفاده از بنزين قابل مقايسه باشد.» 

اما انجام اين كار چندان هم آسان نيست. گاز هيدروژن سبك و فرار است. مولكول هاي كوچك H2 از طريق روزنه ها و شكاف ها و همچنين از طريق بست ها و شيرها بسيار سريع نشت مي كنند و هنگامي كه از اين طريق خارج شدند خيلي زود تبخير مي شوند. هيدروژن چهار برابر سريع تر از متان و ده برابر سريع تر از بخارهاي بنزين نفوذ مي كند. اين مسئله در مورد حفظ ايمني دستگاه از اهميت بسيار زيادي برخوردار است چرا كه قطرات هيدروژن بسيار سريع تبخير شده و در محيط پراكنده مي شوند و مي توانند ايمني سيستم را به خطر اندازند. اين مسئله مي تواند براي هر كسي كه مي خواهد گاز هيدروژن را ذخيره كند، دردسرساز شود. هر چند كه هيدروژن مايع بسيار متراكم است و ذخيره سازي آن آسان به نظر مي رسد، اما در عين حال ذخيره كردن آن مي تواند مشكلاتي را نيز به همراه داشته باشد. هيدروژن حدوداً در دماي 20 درجه كلوين (253 درجه سانتي گراد) مايع مي شود. نگهداري از يك مخزن پر از هيدروژن مايع نيازمند استفاده از يك سيستم خنك كننده جانبي سنگين است، فعلاً استفاده از اين سيستم ها در خودروهاي مسافربري معمولي مقدور نيست. هيدروژن مايع چنان سرد است كه حتي مي تواند باعث منجمد شدن هوا نيز شود. 

اين امر مي تواند به مسدود شدن شيرها و اتصالات منجر شود كه افزايش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممكن است گفته شود براي مقابله با انجماد هوا از سيستم هاي عايق كاري استفاده شود، اما اين كار نيز مشكلاتي را در پي دارد كه از جمله آنها مي توان به افزايش وزن سيستم ذخيره سازي سوخت اشاره كرد. با اين تفاسير چگونه مي توان بر مشكلات پيش رو غلبه كرد؟ ساده است: چند قطعه سنگ را در داخل مخزن سوخت قرا دهيد. البته در اين مورد نمي توان از سنگ هاي معمولي استفاده كرد بلكه بايد از سنگ هاي ويژه اي كه زئوليت (Zeolite) نام دارند استفاده كرد. ساكو در تشريح خواص اين سنگ ها مي گويد: «زئوليت ها موادي از جنس سنگ هستندكه بسيار متخلخلند و به همين دليل مي توانند به عنوان اسفنج هاي مولكولي عمل كنند. زئوليت ها در شكل كريستالي خود به صورت شبكه گسترده اي از حفره ها و شكاف هاي به هم پيوسته در نظر گرفته مي شوند كه بسيار شبيه كندوي زنبور عسل است. يك مخزن سوخت كه در ساختار آن از اين موارد كريستالي استفاده شده است، مي تواند گاز هيدروژن را «در حالت شبه مايع و بدون نياز به سيستم هاي خنك كننده سنگين» به دام انداخته و در خود ذخيره كند. ساكو و همكارانش در نظر دارند، با استفاده از كمك هاي برنامه توسعه توليدات فضايي ناسا كه در مركز پروازهاي فضايي مارشال مستقر است، ايده استفاده از زئوليت ها در مخزن سوخت را عملي سازند. نام زئوليت از كلمات يوناني «Zeo » به معناي جوشيدن و «lithos » به معناي جوشيدن مشتق شده است و معناي تحت اللفظي آن «سنگي كه مي جوشد» است. اين نام را به اين دليل به اين سنگ ها اطلاق مي كنند كه هنگامي كه تحت تاثير حرارت قرار مي گيرند، محتويات خود را خارج مي كنند. ساكو طرز كار مخزن هاي سوخت زئوليت دار كه در دما كنترل مي شود را اين گونه شرح مي دهد: «در ابتدا بايد مقداري يون هاي با بار منفي را به اين زئوليت ها بيافزاييم. اين يون ها مثل تشتك عمل مي كنند، درست مثل درپوش دوات؛ و بدين ترتيب حفره هاي موجود در شبكه كريستالي را مسدود مي كنند. مي توان با حرارت دادن زئوليت به ميزان بسيار جزيي يون ها را از مقابل اين حفره ها به كناري راند. مي توان زئوليت ها را از هيدروژن انباشته كرد و سپس دماي آن را به حالت عادي برگرداند، با اين كار يون ها به جاي قبلي خود برمي گردند و مانع خروج محتويات حفره ها مي شوند.» 

حدود 50 نوع زئوليت مختلف با تركيب شيميايي و ساختار كريستالي متفاوت در طبيعت يافت مي شود، گذشته از اين شيميدان ها روش ساخت مصنوعي تعداد ديگري از آنها را دريافته اند. كساني كه گربه دارند ممكن است با اين مواد آشنايي داشته باشند. چرا كه از اين مواد به عنوان بوگير در بستر حيوان استفاده مي شود. ساكو خاطرنشان مي سازد: «با استفاده از زئوليت هاي موجود مي توان مقدار كمي از هيدروژن را ذخيره كرد، اما اين مقدار كافي نيست.» پس چه مقدار هيدروژن كافي است؟ 

تصور كنيد ديواره مخزن سوخت خودروي شما توسط سنگ هاي متخلخل و كريستالي پوشيده شده است و اين سنگ ها حدود 40 كيلوگرم وزن دارد. به جايگاه سوخت گيري مراجعه مي كنيد و متصدي جايگاه حدود 5/3 كيلوگرم هيدروژن را به مخزن پوشيده از زئوليت خودروي شما تزريق مي كند.از لحاظ نظري اين مقدار هيدروژن، هم از لحاظ وزني و هم از لحاظ مقدار انرژي ذخيره شده در آن برابر مخزني پر از بنزين است. ساكو خاطر نشان مي سازد: «اگر بتوان كريستال هايي از زئوليت توليد كرد كه بتواند حدود 6 تا 6 درصد از وزن خود را، هيدروژن ذخيره كند، آن وقت يك مخزن زئوليتي پر از هيدروژن مي تواند با يك مخزن معمولي پر از بنزين رقابت كند.» با اين همه بهترين زئوليت هاي موجود مي توانند فقط 2 تا 3 درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند. در سال 1995 ساكو به عنوان يكي از متخصصين يك ماموريت به وسيله شاتل فضايي، كلمبيا (sts-73) به فضا مسافرت كرد. هدف وي از اين ماموريت اين بود كه بتواند زئوليت هايي با كيفيت بهتر را در فضا توليد كند. «در محيطهاي با گرانش كم، مواد با سرعت بسيار كمتري گرد هم مجتمع مي شوند و اين اثر باعث مي شود كه كريستال هاي زئوليت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم از نظم بيشتري برخوردار شوند.» 

كريستال هاي زئوليت توليد شده در زمين بسيار كوچك هستند و ضخامت آنها در حدود 2 تا 8 ميكرون است. اين مقدار حدود يك دهم ضخامت موي انسان است. اما كريستال هايي را كه ساكو توانست در فضا تهيه كند هم ده مرتبه بزرگ تر بودند و هم ساختار داخلي مناسب تري داشتند و اين شروع مسرت بخشي بود. 

ساكو مي گويد: «مراحل بعدي كار را بايد در ايستگاه فضايي بين المللي انجام داد.» ساكو و همكارانش يك كوره توليد كريستال هاي زئوليت ساخته اند، كه در ابتداي سال 2002 در ايستگاه فضايي بين المللي نصب شده است. كن بوور ساكس فرمانده يكي از ماموريت هاي ايستگاه فضايي بين المللي از اين كوره براي توليد چند نمونه از كريستال ها استفاده كرده است. كن در حين كار مجبور بود بعضي از مشكلات غيرمنتظره به وجود آمده هنگام اختلاط محلول هاي به كار رفته در رشد كريستال ها را حل كند - اين امر ارزش حضور انسان در هنگام آزمايشات فضايي را نشان مي دهد - اما از آن پس آزمايشات مربوط به اين گونه كريستال ها با سرعت كمتري به پيش مي رود. ساكو مي گويد در مرحله بعد بايد كريستال هاي توليد شده در فضا را به زمين منتقل كرد و آزمايشات مربوطه را روي آنها انجام داد. البته وي خاطرنشان مي سازد كه هدف آنها توليد انبوه كريستال هاي زئوليت در فضا نيست، چرا كه اين كار - حداقل فعلاً - مقرون به صرفه نيست. وي مي گويد ما فقط مي خواهيم دريابيم آيا مي توان زئوليت هايي را ساخت كه بتوانند هفت درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند يا خير؟ اگر بتوان اين كار را در فضا انجام داد، آن وقت مي توان با اتخاذ تدابير ويژه اي دريافت كه چگونه همين فرآيند را در زمين به گونه مشابهي انجام داد. 

در تمام طول دوره انجام اين تحقيقات ساكو در فكر تغيير مصرف سوخت و تحول جهاني از سوخت هاي فسيلي به سمت سوخت هيدروژني بود. اين ايده رويايي بزرگ است اما مي توان به آن دست يافت. زئوليت ها مي توانند به عنوان نكته كليدي براي استفاده از سوخت هيدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوري محسوب شوند. به زودي اين ايده فراگير خواهد شد، آن وقت احتمالاً كسي از شما خواهد پرسيد... «آيا در اين نزديكي جايگاه سوخت هيدروژن وجود دارد؟» 

منبع: http://www.hupaa.com

دماسنج (thermometer ):

دماسنج ها ابزاري هستند كه براي اندازه گيري دما مورد استفاده قرار مي گيرند. دماسنج ها بر اساس خواص  متفاوتي كار مي كنند. هر كدام از اين خواص را يك « کمیت دماسنجی» مي نامند: مانند حجم يا ارتفاع يك مايع(در دماسنج هاي معمولي)، فشار يك گاز در حجم ثابت و يا حجم يك گاز در فشار ثابت(در دماسنجگازي)، مقاومت الکتريکي يك سيم (در دماسنج مقاومتي)، جريان الکتريکي در يك اتصال دوفلزي(در دماسنج هاي ترموكوپل)، رنگ نوررشته يك لامپ (در تَف سنج ها) و …

دماسنج انبساطي( expansion thermometer) :
دماسنج انبساطي از يك لوله باريك با مخزني به شکل كره يا استوانه تشکيل شده است كه درون آن با مايع مناسبي مثل جيوه يا الکل پر شده است. مايع دماسنجي در اثر گرما منبسط شده و سطح آن درون لوله بالا مي رود. جداره مخزن دماسنج را معمولاً بسيار نازک مي سازند تا تبادل گرما بين مايع دماسنجي با محيط بيرون به آساني و به سرعت انجام شود. مي توان توضيح داد كه هر چه لوله دماسنج باريك تر، ضخامت ديواره مخزن آن نازک تر و حجم مخزن و مايع درون دماسنج بيشتر باشد، دماسنج دقيق تر است. (چرا؟)

دماسنج گازي(gas thermometer ):

در اين دماسنج مقداري گاز در مخزني با حجم ثابت قرار دارد و فشار آن توسط يك فشارسنج مرتباً در حال اندازه گيري و كنترل است. با افزايش دماي گاز، فشار آن نيز افزايش مي يابد. اگر اين دماسنج به طرز مناسبي مدرج گردد، با اندازه گيري فشار در هر لحظه، مي توان به مقدار دما در آن لحظه پي برد.

تَف سنج نوري( pyrometer ):

براى اندازه گيرى دماهاى بالاتر از گستره دمايي دماسنج هاي ترموكوپل مانند دماي كوره هاي ذوب فلزات از دماسنج هاي غيرتماسي نظير تف سنج يا آذرسنج استفاده مي شود. اين وسيله از يك تلسکوپ مخصوص ساخته شده است كه در آن يك لامپ رشته اي كوچك و يك فيلتر قرمز رنگ وجود دارد. براي استفاده از تف سنج، آن را به طرف كوره يا هر جسم ديگري كه هدف، اندازه گيري دماي آن است، نشانه مي گيرند و از پشت تلسکوپ به آن جسم نگاه مي كنند. در ابتدا رشته تيره لامپ بر روي زمينه روشن كوره مشاهده مي شود، اما در اثر عبور جريان برق از درون رشته لامپ و تنظيم آن به وسيله تغيير پيچ رئوستا، كه در شکل نشان داده نشده است، روشنايي رشته با روشنايي زمينه برابر و رشته از ديد ناظر ناپديد مي شود. با درجه بندي مناسب اين نوع دماسنج مي توان از آن براي اندازه گيري دماهاي بسيار زياد بدون نياز به تماس مستقيم استفاده كرد.

دماسنج ترموکوپل (thermocouple thermometer)

دماسنجی است كه برمبناي پديده ترموالکتريك كار مي كند. طبق اين پديده، اگر دو سر دو سيم نازک غير هم جنس (مثلاً مس و آهن)را به يکديگر وصل كنيم و دو انتهاي ديگر را به يك ميلي آمپرسنج ببنديم، با گرم كردن نقطه مشترک دو سيم، در مدار جريان الکتريکي به وجود مي آيد كه اندازه آن غير از مقاومت مدار و جنس سيم ها به دماي انتهاي مشترک آن ها بستگي دارد.
براي اندازه گيري دقيق تر دما مي توان دو ميله فلزي غيرهم جنس را از يك سر به هم جوش داد و يك انتهاي مجموعه را به يك دماي ثابت(مثلاً دماي صفر درجه مخلوط آب و يخ در حال تعادل) و انتهاي ديگر را به دماي مجهول مورد نظر وصل كرد.

دماسنج مقاومتی (resistance thermometer):

مقاومت الکتریکی بسياري از مواد رسانا در اثر تغيير دما، تغيير مي كند. دماسنج مقاومتي به صورت يك سيم بلند و ظريف است و مي توانيم آن را به دور جسمي كه مي خواهيم دماي آن را اندازه گيري كنيم، بپيچيم و يا در حفره اي كه براي اين منظور ايجاد شده است، قرار دهيم. هرچند مي توان دماسنج مقاومتي پلاتيني را براي اندازه گيري هاي خيلي دقيق در گستره دمايي 252 - تا 1211 درجه سانتي گراد هم به كار برد، اما اين نوع دماسنج، عمدتاً در دماهاي پايين كارآيي بهتري دارد.

ترمیستور(thermistor):

ترميستور در اصل نوعي دماسنج مقاومتي است كه جنس ماده آن نيم رساناست. ترميستورها را از ساچمه هاي كوچك نيم رسانا در محفظه هاي شيشه اي مي سازند. نيم رساناها برخلاف فلزات داراي ضريب دمايي منفي هستند، يعني مقاومت آنها با افزايش دما كاهش مي يابد. ترميستور يك وسيله بسيار حساس است كه در صنعت، تحقيقات و پزشکي كاربردهاي گوناگوني دارد و انتظار مي رود كه با درجه بنديمناسب، داراي دقتي تا 0/01 درجه سانتي گراد باشد.

مزيت ترموكوپل ها (و ترميستورها) در اين است كه به خاطر حجم كوچکي كه دارند و به علت انعطاف پذير بودنشان، مي توان آنها را به آساني در نقاطي قرار داد كه در مورد دماسنج هاي بزرگ تر امکان پذير نيست. همچنين به خاطر جرم كوچك، خيلي سريع با سيستمي كه اندازه گيري دماي آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمايي در مي آيند و مي توانند تغييرات سريع دما را به آساني تعقيب كنند. دقيقاً به همين دليل است كه ترموكوپل ها به دماهاي بسيار كوچك تا 0/001 درجه سانتي گراد هم حساس اند. مزيت سوم آن است كه سيگنال خروجي آنها الکتريکي است نه مکانيکي يا چشمي؛ بنابراين براي كنترل الکترونيکي دما مناسب ترند. از ترموكوپل غير از كاربردهاي آزمايشگاهي براي كنترل كوره هاي صنعتي نيز استفاده مي كنند.

دماسنج پزشکی (clinical thermometer)

در اين نوع دماسنج، گستره دماهاي موجود، فقط از35 درجه سانتی گراد تا 42 درجه سانتی گراد است. با اين حال اندازه گيري دما توسط اين دماسنج به علت باريك تر بودن لوله، ذره بيني بودن جدار شيشه اي آن وتقسيم بندي هاي ريز آن، دقيق تر است.  اين دماسنج دما را تا دقت 0/1 درجه سانتی گراد اندازه مي گيرد. همچنين در بالاي مخزن دماسنج پزشکي، خميدگي باريکي در لوله دماسنج ايجاد شده است تا جيوه پس از جداشدن دماسنج از بدن بيمار و انقباض ناگهاني، به درون مخزن برنگردد.

دماسنج گوشي( ear thermometer ):

دماسنج هاي درون گوشي  طوري طراحي شده اند كه يك حس گر(سنسور) كوچك پيزو الکتريك تابش فروسرخ را كه از پرده صماخ درون گوش گسيل مي شود، دريافت كند. با قرار دادن اين نوع دماسنج در گوش در كمتر از 1 ثانيه دماي گوش دروني كه برآورد خوبي از دماي بدن به دست ميدهد، قابل اندازه گيري است.

دماسنج فرینه(max-min thermometer):

اين دماسنج از يك لوله شيشه اي U شکل ساخته شده كه دو انتهاي آن مسدود و قسمت پاييني آن با جيوه پر شده است. قسمت بالايي لوله در طرف چپ به طور كامل و در سمت راست تا نيمه از الکل پر شده است. نيمه ديگر اين قسمت محتوي نوعي گاز است. در بالاترين سطح جيوه و در داخل الکل در هر دو ستون شاخص هاي فولادي قرار دارند كه با اندكي اصطکاک با جداره داخلي لوله تماس دارند اما مي توانند در اثر نيروي رانش جيوه به سمت بالا بلغزند. از اين دماسنج براي اندازه گيري حداكثر و حداقل دما در يك شبانه روز استفاده مي شود. با گرم شدن هوا، الکل موجود در شاخه سمت چپ منبسط شده و سطح جيوه را در شاخه سمت چپ پايين و در شاخه سمت راست بالا مي برد و نشانه فولادي نيز با آن بالا مي رود. برعکس، با كاهش دما،
الکل منقبض شده و سطح جيوه در شاخه سمت چپ بالا آمده و نشانه فولادي را بالا مي آورد. انقباض الکل، سطح جيوه در شاخه سمت راست را پايين مي آورد اما نشانه فولادي در لوله سمت راست به علت وجود كمي اصطکاک، در جاي خود باقي مي ماند. با گرم شدن دوباره هوا، سطح جيوه در شاخه سمت چپ پايين مي آيد ولي نشانه فولادي در اينجا نيز در جاي خود باقي مي ماند. بنابراين محل نشانه فولادي در شاخه سمت راست، بيشينه دما و در شاخه سمت چپ كمينه دما را نشان مي دهد. اگر براي يك شبانه روز ديگر بخواهيم از اين دماسنج استفاده كنيم بايستي نشانه هاي فولادي را با آهن ربا به سطح جيوه برگردانيم.

نمونه سوالات بخش انرژی سری اول

نمونه سوالات بخش انرژی سری دوم

نمونه سوالات بخش انرژی سری سوم

نمونه سوالات فیزیک 1- کل کتاب

|

امتیاز مطلب : 5

|

تعداد امتیازدهندگان : 1

|

مجموع امتیاز : 1

موضوعات مرتبط: نمونه سوال , ,