جواب فصل ۱۰ علوم هفتم؛ پاسخ درس دهم گرما و بهینه سازی مصرف انرژی

موضوع	نواحی سردسیر	نواحی گرمسیر
پوشش	لباس‌های ضخیم، چندلایه، پشمی و گرم	لباس‌های نازک، گشاد، سبک و معمولاً نخی
رنگ لباس	رنگ‌های تیره در جذب انرژی تابشی مؤثرترند.	رنگ‌های روشن بخش بیشتری از تابش را بازمی‌تابانند.
گرم کردن خانه	نیاز بیشتر به بخاری، شوفاژ، موتورخانه یا سامانه‌های گرمایشی	نیاز گرمایشی معمولاً کمتر است و می‌توان از گرمای خورشید نیز بهره برد.
عایق‌بندی	دیوار و سقف عایق، پنجره‌های دوجداره و جلوگیری از خروج گرمای داخل	عایق سقف و دیوار، سایه‌بان و پنجره مناسب برای جلوگیری از ورود گرمای زیاد

نتیجه: عایق‌بندی در هر دو منطقه اهمیت دارد؛ اما هدف آن متفاوت است. در مناطق سردسیر تلاش می‌کنیم گرمای داخل ساختمان کمتر به بیرون منتقل شود و در مناطق گرمسیر تلاش می‌کنیم گرمای محیط بیرون کمتر وارد ساختمان شود.

وسایل پیشنهادی: یک بطری کوچک شفاف، نی باریک یا لوله‌ی شفاف، آب رنگی، خمیر درزگیر یا چسب مناسب، ظرف آب و یخ و ظرف آب گرم.

روش پیشنهادی ساخت و درجه‌بندی:
۱- مقداری آب رنگی داخل بطری بریزید.
۲- نی باریک را طوری داخل درِ بطری قرار دهید که انتهای آن داخل مایع باشد و اطراف آن را کاملاً درزبندی کنید.
۳- بطری را داخل مخلوط آب و یخ قرار دهید و پس از ثابت شدن سطح مایع، محل آن را با صفر درجه سلسیوس علامت بزنید.
۴- با نظارت معلم، نقطه‌ی مربوط به آب در حال جوش را نیز مشخص و آن را ۱۰۰ درجه سلسیوس در نظر بگیرید.
۵- فاصله‌ی میان صفر و ۱۰۰ را به قسمت‌های مساوی تقسیم کنید.

وقتی دما بالا می‌رود، مایع داخل دماسنج منبسط می‌شود و سطح آن در لوله بالا می‌آید؛ با کاهش دما نیز سطح مایع پایین می‌رود.

نکته ایمنی: مرحله‌ی مربوط به آب بسیار داغ یا جوش باید با نظارت معلم یا فرد بزرگسال انجام شود.

ردیف	جسم مورد اندازه‌گیری	پیش‌بینی دما	نمونه دمای اندازه‌گیری‌شده
۱	آب شیر آب سرد	۱۵°C	۱۲°C
۲	مخلوط آب و یخ	۲°C	حدود ۰°C
۳	مخلوط نمک و یخ خردشده	۰°C	حدود ۵−°C
۴	چای داغ	۷۵°C	حدود ۷۰°C
۵	هوای کلاس	۲۵°C	حدود ۲۳°C
۶	هوای داخل یخچال	۶°C	حدود ۴°C

توجه: عددهای بالا نمونه پاسخ هستند. دمای واقعی آب شیر، کلاس، یخچال و چای در زمان‌ها و مکان‌های مختلف متفاوت است و باید با دماسنج اندازه‌گیری شود.

وسایل و مواد: لیوان، آب سرد، دماسنج، میخ آهنی نسبتاً بزرگ با جرم تقریبی ۲۰ گرم یا بیشتر، چراغ بونزن و انبرک یا دم‌باریک

روش آزمایش:
۱- لیوان را تا نیمه از آب سرد پر کنید و دمای آن را اندازه بگیرید.
۲- میخ را به کمک انبرک روی شعله قرار دهید و منتظر بمانید تا کاملاً داغ شود؛ سپس آن را داخل آب بیندازید.
۳- یکی دو دقیقه صبر کنید و دوباره دمای آب را اندازه بگیرید.
۴- نتیجه‌ی مشاهده‌ی خود را گزارش دهید.

پاسخ: دمای آب افزایش و دمای میخ کاهش پیدا می‌کند. چون دمای میخ بیشتر از دمای آب است، انرژی به صورت گرما از میخ داغ به آب سرد منتقل می‌شود.

بنابراین:
میخ انرژی از دست می‌دهد و آب انرژی می‌گیرد.

انتقال گرما تا زمانی ادامه پیدا می‌کند که دمای آب و میخ با یکدیگر برابر شود. این دما را دمای تعادل می‌نامیم.

پاسخ: این بار آب از میخ گرم‌تر است؛ بنابراین گرما از آب به میخ سرد منتقل می‌شود. دمای آب کاهش پیدا می‌کند و دمای میخ افزایش می‌یابد تا هر دو به دمای تعادل برسند.

پس آب انرژی از دست می‌دهد و میخ انرژی می‌گیرد.

پاسخ: جنبش مولکول‌ها در ظرف A بیشتر است؛ زیرا دمای آن بالاتر است و مولکول‌ها به طور متوسط انرژی بیشتری دارند.

پاسخ: انرژی از ظرف گرم A به ظرف سرد B منتقل می‌شود؛ بنابراین جنبش مولکول‌های A کمتر و جنبش مولکول‌های B بیشتر می‌شود.

پاسخ: وقتی دو ظرف به تعادل گرمایی برسند، دمای آنها یکسان است؛ بنابراین برای مولکول‌های یکسان، جنبش متوسط و انرژی جنبشی متوسط مولکول‌ها نیز یکسان می‌شود.

تفاوت دما و گرما: دما معیاری برای بیان میزان گرمی و سردی جسم و مرتبط با انرژی جنبشی متوسط ذره‌های آن است؛ اما گرما انرژی‌ای است که به علت اختلاف دما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود. یکای گرما مانند دیگر شکل‌های انرژی، ژول است.

وسایل و مواد: سه میله‌ی هم‌طول و هم‌ضخامت از جنس مس، فولاد یا آهن و آلومینیم، چراغ بونزن، کبریت، سه‌پایه و پارافین

روش آزمایش:
۱- با کمک پارافین به سر میله‌ها چوب کبریت بچسبانید.
۲- مطابق شکل، سر دیگر میله‌ها را روی شعله قرار دهید.
۳- مدتی صبر کنید تا چوب کبریت‌ها بیفتند.
۴- نتیجه‌ی مشاهدات خود را بنویسید و درباره‌ی آن گفت‌وگو کنید.

پاسخ: میله‌ی مسی سریع‌تر از بقیه گرما را منتقل می‌کند؛ بنابراین پارافین سر میله‌ی مسی زودتر ذوب می‌شود و کبریت آن زودتر می‌افتد.

پس از مس، آلومینیم رسانایی گرمایی خوبی دارد و در میان این سه نمونه، آهن یا فولاد گرما را کندتر منتقل می‌کند.

این آزمایش نشان می‌دهد حتی رسانایی گرمایی فلزهای مختلف نیز با یکدیگر یکسان نیست.

طرح پیشنهادی: یک لیوان را داخل لیوان بزرگ‌تری قرار دهید و فضای بین آنها را با پنبه، پشم، یونولیت، پارچه یا هوای محبوس عایق کنید. برای کاهش خروج گرما از بالا نیز یک درپوش مناسب روی ظرف قرار دهید.

ظرف نمونه	دمای اولیه	دمای پس از یک ساعت
عایق بهتر	۷۰°C	۵۸°C
عایق ضعیف‌تر	۷۰°C	۴۵°C

نتیجه: ظرفی که پس از یک ساعت کاهش دمای کمتری داشته باشد، گرمای کمتری به محیط منتقل کرده و عایق بهتری است. عددهای جدول نمونه هستند و نتیجه‌ی واقعی باید از آزمایش به دست آید.

پاسخ: چند لیوان کاملاً یکسان را با مقدار مساوی آب داغ و با دمای اولیه‌ی یکسان پر می‌کنیم. دور هر لیوان را با یک نمونه پارچه و با تعداد لایه و سطح یکسان می‌پوشانیم.

پس از زمان مشخص، مثلاً ۳۰ دقیقه، دمای آب هر لیوان را اندازه می‌گیریم.

پارچه‌ای که آب داخل لیوان پوشیده‌شده با آن کمترین کاهش دما را داشته باشد، گرما را کندتر منتقل کرده و برای پالتوی زمستانی عایق بهتری است.

پاسخ: به عواملی مانند دوام و مقاومت پارچه، وزن، نرمی و راحتی، مقاومت در برابر رطوبت، رنگ، زیبایی، قابلیت شست‌وشو، قیمت، در دسترس بودن و سلیقه‌ی خریداران باید توجه شود.

پاسخ: کتاب مقدار پارچه‌ی لازم برای هر پالتو را مشخص نکرده است؛ بنابراین پاسخ دقیق به مدل پالتو، اندازه‌ها، عرض پارچه، نحوه‌ی چیدمان الگو و مقدار دورریز بستگی دارد.

برای نمونه، اگر برای هر پالتو به طور متوسط ۲/۵ متر پارچه لازم باشد:

۲۰۰۰ × ۲٫۵ = ۵۰۰۰ متر

اگر حدود ۵ درصد نیز برای دورریز و خطای برش در نظر بگیریم:

۵۰۰۰ × ۰٫۰۵ = ۲۵۰ متر

۵۰۰۰ + ۲۵۰ = ۵۲۵۰ متر

پس در این مثال فرضی حدود ۵۲۵۰ متر پارچه لازم است.

پاسخ: برای قیمت‌گذاری باید هزینه‌ی پارچه، آستر و لوازم جانبی، دستمزد، انرژی، اجاره و تجهیزات، بسته‌بندی، حمل‌ونقل، مالیات یا هزینه‌های قانونی، دورریز و سود مناسب را در نظر گرفت.

مثلاً اگر هزینه‌ی تمام‌شده‌ی هر پالتو به طور فرضی ۲ میلیون تومان باشد و تولیدکننده ۲۰ درصد سود در نظر بگیرد:

۲٬۰۰۰٬۰۰۰ × ۱٫۲۰ = ۲٬۴۰۰٬۰۰۰ تومان

این عدد فقط نمونه‌ی فرضی برای آموزش روش قیمت‌گذاری است و قیمت واقعی به هزینه‌های زمان تولید و شرایط بازار بستگی دارد.

پاسخ: زیرا بررسی بازار به تولیدکننده کمک می‌کند نیاز و سلیقه‌ی مشتریان، قیمت قابل قبول، طرح‌های پرطرفدار و میزان رقابت را بشناسد. در نتیجه احتمال تولید محصولی که مشتری نداشته باشد و باعث زیان شود، کمتر می‌شود.

وسایل و مواد: یک ظرف شیشه‌ای نشکن، منبع گرما مانند شمع یا چراغ الکلی، قطره‌چکان و جوهر

روش آزمایش:
۱- تا سه‌چهارم ظرف شیشه‌ای را با آب پر کنید و آن را مطابق شکل روی شعله قرار دهید.
۲- با قطره‌چکان چند قطره جوهر در طرف دیگر ظرف که روی شعله نیست بریزید.
۳- به مسیر حرکت جوهر در آب توجه کنید و مشاهدات خود را یادداشت کنید.
۴- درباره‌ی علت رفتار مشاهده‌شده بحث کنید.

مشاهده و نتیجه: آب نزدیک شعله گرم می‌شود، منبسط می‌شود و چگالی آن کاهش پیدا می‌کند؛ بنابراین به سمت بالا حرکت می‌کند.

آب خنک‌ترِ قسمت دیگر ظرف به سمت پایین حرکت می‌کند و جای آب گرم را می‌گیرد. جوهر مسیر این حرکت چرخشی را آشکار می‌کند.

به این نوع انتقال گرما که با جابه‌جایی بخش‌هایی از مایع یا گاز انجام می‌شود، همرفت می‌گویند.

زمان	دمای آب ـ نمونه	دمای ماسه ـ نمونه
۰ دقیقه	۲۴°C	۲۴°C
۱۰ دقیقه	۲۵°C	۲۹°C
۲۰ دقیقه	۲۷°C	۳۴°C
۳۰ دقیقه	۲۹°C	۳۹°C
۴۰ دقیقه	۳۱°C	۴۴°C
۵۰ دقیقه	۳۲°C	۴۸°C
۶۰ دقیقه	۳۳°C	۵۱°C

راهنمای رسم نمودار: محور افقی را زمان برحسب دقیقه و محور عمودی را دما برحسب درجه سلسیوس قرار دهید. نقاط مربوط به آب و ماسه را جداگانه روی نمودار مشخص و نقاط هرکدام را به یکدیگر وصل کنید. در نمونه‌ی بالا، خط مربوط به ماسه شیب بیشتری دارد.

نتیجه: ماسه در برابر مقدار مشابه تابش خورشید سریع‌تر از آب گرم می‌شود و دمای آن بیشتر افزایش می‌یابد. آب آهسته‌تر گرم می‌شود و تغییر دمای آن کمتر است.

به همین دلیل در طول روز، خشکی کنار دریا معمولاً زودتر از آب دریا گرم می‌شود.

عددهای جدول بالا نمونه هستند و نتیجه‌ی واقعی به شدت تابش، دمای محیط، مقدار آب و ماسه و شرایط آزمایش بستگی دارد.

پاسخ: در روز: خشکی زودتر از دریا گرم می‌شود. هوای روی خشکی گرم و کم‌چگال شده و بالا می‌رود. هوای خنک‌تر روی دریا به سمت خشکی حرکت می‌کند؛ بنابراین دود نیز به طرف خشکی کشیده می‌شود. این جریان را نسیم دریا می‌نامند.

در شب: خشکی سریع‌تر سرد می‌شود، ولی آب دریا گرمای خود را آهسته‌تر از دست می‌دهد. در نتیجه هوای روی دریا گرم‌تر می‌شود و بالا می‌رود و هوای خنک‌تر خشکی به سوی دریا حرکت می‌کند؛ بنابراین دود به طرف دریا کشیده می‌شود.

پاسخ: هوای نزدیک رادیاتور گرم و منبسط می‌شود، چگالی آن کاهش پیدا می‌کند و به طرف بالا می‌رود. هوای سردتر قسمت‌های دیگر اتاق به سمت پایین و نزدیکی رادیاتور حرکت می‌کند و جای هوای گرم را می‌گیرد.

با ادامه‌ی این حرکت، یک جریان همرفتی در هوای اتاق ایجاد می‌شود و گرما به قسمت‌های دورتر اتاق نیز منتقل می‌شود.

پاسخ: بله، گرمای لامپ احساس می‌شود.

این انتقال نمی‌تواند از راه رسانش باشد؛ زیرا دست با لامپ تماس ندارد.

همچنین سهم همرفت در این حالت بسیار کم است؛ زیرا هوای گرم اطراف لامپ بیشتر به سمت بالا حرکت می‌کند، در حالی که دست زیر لامپ قرار دارد.

بنابراین بخش عمده‌ی گرمایی که به دست می‌رسد از طریق تابش گرمایی منتقل شده است. تابش برخلاف رسانش و همرفت برای انتقال به محیط مادی نیاز ندارد.

پاسخ: آسفالت تابش گرمایی بیشتری جذب می‌کند؛ زیرا سطح آن تیره و نسبتاً ناهموار است.

سطح آینه صاف و براق است و بخش بیشتری از انرژی تابشی برخوردکرده را بازتاب می‌دهد.

به طور کلی، جسم‌های تیره و مات جذب‌کننده‌ی بهتر تابش گرمایی هستند و سطوح روشن، صاف و براق بخش بیشتری از تابش را بازتاب می‌دهند.

وسایل و مواد: دو قوری یا لیوان کاملاً یکسان که رنگ یکی تیره و دیگری سفید باشد، دو دماسنج و یک کتری آب داغ

روش آزمایش:
۱- در هر دو ظرف مقدار مساوی آب داغ با دمای یکسان بریزید و بلافاصله دمای آنها را یادداشت کنید.
۲- هر ۵ دقیقه دمای آب درون ظرف‌ها را اندازه‌گیری و یادداشت کنید و نمودار دما برحسب زمان را برای هر ظرف رسم کنید.
از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

زمان	ظرف تیره ـ نمونه	ظرف سفید ـ نمونه
شروع	۸۰°C	۸۰°C
۵ دقیقه	۷۴°C	۷۶°C
۱۰ دقیقه	۶۹°C	۷۲°C
۱۵ دقیقه	۶۴°C	۶۸°C
۲۰ دقیقه	۶۰°C	۶۴°C

نتیجه: آب داخل ظرف تیره معمولاً سریع‌تر سرد می‌شود؛ زیرا سطح تیره و مات علاوه بر اینکه جذب‌کننده‌ی خوب انرژی تابشی است، گسیل‌کننده‌ی بهتری برای تابش گرمایی نیز هست و انرژی گرمایی را سریع‌تر به محیط تابش می‌کند.

ظرف سفید یا سطح روشن، تابش گرمایی کمتری گسیل می‌کند و در شرایط یکسان آب درون آن آهسته‌تر سرد می‌شود.

عددهای جدول فقط نمونه هستند و باید در آزمایش واقعی اندازه‌گیری شوند.

نمونه گزارش:
چگونگی کار رادیاتور خودرو: هنگام کار موتور، مقدار زیادی گرما تولید می‌شود. مایع خنک‌کننده در مجراهای موتور گردش می‌کند و بخشی از این گرما را می‌گیرد. سپس مایع گرم وارد رادیاتور می‌شود.

رادیاتور دارای لوله‌ها و پره‌های فلزی فراوان و سطح بزرگی است. گرما ابتدا از مایع خنک‌کننده به فلز رادیاتور منتقل می‌شود و سپس جریان هوا آن را از سطح رادیاتور دور می‌کند.

اگر جریان طبیعی هوا کافی نباشد، فن خنک‌کننده روشن می‌شود و هوای بیشتری از میان پره‌ها عبور می‌دهد. مایع خنک‌شده دوباره به موتور برمی‌گردد و این چرخه ادامه پیدا می‌کند.

در این سامانه هر سه روش انتقال گرما دیده می‌شود:
رسانش در فلز رادیاتور، همرفت به کمک مایع خنک‌کننده و جریان هوا، و مقداری تابش گرمایی از سطح رادیاتور.

شغل رادیاتورسازی: رادیاتورساز یا تعمیرکار سامانه‌ی خنک‌کننده، رادیاتور و اجزای مرتبط را از نظر نشتی، گرفتگی، خوردگی و آسیب بررسی می‌کند و در صورت نیاز آن را شست‌وشو، تعمیر یا تعویض می‌کند. آشنایی با سامانه‌ی خنک‌کننده، ابزارهای فنی و نکات ایمنی برای این شغل ضروری است.

سه روش انتقال گرما در یک نگاه:
رسانش: انتقال گرما در ماده بدون جابه‌جایی کلی ماده؛ مانند گرم شدن میله‌ی فلزی.
همرفت: انتقال گرما با جابه‌جایی مایع یا گاز؛ مانند گردش آب در ظرف یا هوای اتاق.
تابش: انتقال انرژی گرمایی به صورت امواج و بدون نیاز به محیط مادی؛ مانند رسیدن انرژی خورشید به زمین.

جمع‌بندی کوتاه فصل دهم علوم هفتم: دما میزان گرمی و سردی جسم را نشان می‌دهد و با دماسنج اندازه‌گیری می‌شود. وقتی دو جسم با دماهای متفاوت در تماس باشند، انرژی به صورت گرما از جسم گرم‌تر به جسم سردتر منتقل می‌شود تا به دمای تعادل برسند. گرما از سه روش رسانش، همرفت و تابش منتقل می‌شود. فلزها معمولاً رسانای خوب و موادی مانند پشم، هوا، چوب و پلاستیک عایق‌های بهتری هستند. جریان‌های همرفتی در مایع‌ها و گازها ایجاد می‌شوند و تابش حتی از خلأ عبور می‌کند. همچنین سطح‌های تیره و مات انرژی تابشی را بهتر جذب و گسیل می‌کنند. شناخت این مفاهیم به ما کمک می‌کند با عایق‌کاری مناسب و استفاده‌ی درست از وسایل، مصرف انرژی را کاهش دهیم.