ماهیت دما عجیب‌تر از آن است که تصور می‌کنیم

هنوز فصل بهار به پایان نرسیده است اما هوا روزبه‌روز گرم‌تر می‌شود. خیلی زود هوا تابستانی خواهد شد. افراد معمولا دوست دارند محیط اطراف خود را تغییر دهند. وقتی هوا سرد است، محیط را گرم می‌کنند و وقتی گرم است به‌دنبال کاهش دما هستند. انسان‌ها موجودات پیچیده‌ای هستند.

افزایش حرارت و گرما کار سختی نیست؛ زیرا فعالیت‌های روزمره حتی به‌صورت ناخواسته هم منجر به افزایش دما می‌شوند. از سوی دیگر کاهش دمای محیط کار دشوارتری است. معمولا دما به‌عنوان موجودیتی دارای بعد در نظر گرفته می‌شود که می‌توان سطح آن را کاهش یا افزایش داد. براساس این تعریف، عملکرد دما را می‌توان به کنترل نور صفحه‌ی نمایش تشبیه کرد؛ اما اگر در خانه ترموستات داشته باشید متوجه می‌شوید، تعریف فوق اشتباه است: در فصل بهار معمولا ترموستات روی حالت AC تنظیم می‌شود؛ و فرایند متفاوتی اجرا می‌شود.

قبل از بررسی روش‌های مختلف افزایش یا کاهش دما در طول تاریخ، بهتر است با تعریف دما آشنا شوید. برخلاف تصور، دما بعد نیست. بلکه بسیار پیچیده‌تر از این تعاریف است.

دما واقعا چیست؟

دما کمیتی یکسان برای دو شیء است که برای مدتی طولانی با یکدیگر در تماس بوده‌اند. اگر فنجان داغ قهوه را روی یک میز قرار دهید و سپس حواستان به موضوعی در شبکه‌های اجتماعی پرت شود، دمای قهوه خیلی زود با دمای میز یکسان خواهد شد. انرژی گرمایی دو شیء یکسان نیست اما دمای آن‌ها یکسان خواهد شد. اما انرژی گرمایی چیست؟ تعریف انرژی گرمایی هم‌راستا با تعریف دقیق دما است:

 دما مقیاسی از انرژی جنبشی میانگین ذرات یک شیء است؛ که انرژی جنبشی در این تعریف به جرم و سرعت اولیه وابسته است.

اما تا این قسمت از مقاله از کلمه‌ی گرما استفاده نشده است، زیرا معنای این کلمه مانع از درک موقعیت‌های ترمودینامیک می‌شود. معمولا بهتر است از گرما به عنون یک فعل استفاده شود: برای مثال نور خورشید بدن افراد را گرم می‌کند یا آب برای دم کردن چای، گرم می‌شود؛ اما از این کلمه به‌عنوان موجودیتی واقعی در دنیای اطراف هم استفاده می‌شود.

چگونه می‌توان اشیا را داغ کرد

روش‌های متعددی برای افزایش انرژی گرمایی اشیا وجود دارد؛ اما در اصل نیاز به نوعی انتقال انرژی است. در ادامه به برخی از روش‌ها اشاره شده است:

۱.  تابش نور روی شیء

امواج الکترومغناطیسی یکی از روش‌های انتقال گرما هستند. نور مرئی یکی از انواع تشعشعات الکترومغناطیسی است؛ همچنین پرتوهای گاما، اشعه‌ی ایکس و مادون قرمز هم در این امواج وجود دارند. امواج یکسان هستند اما طول موج متفاوتی دارند و همه‌ی آن‌ها می‌توانند انرژی منتقل کنند.

به همین دلیل وقتی شیئی را مقابل نور خورشید قرار می‌دهید، داغ می‌شود. البته مردم سال‌ها است از نور خورشید برای افزایش دمای اشیاء استفاده می‌کنند. امروز از لامپ‌ها می‌توان به‌جای نور خورشید استفاده کرد. اما نور خورشید به کمترین فناوری نیاز دارد. اجاق‌های ماکروویو معمولا عملکرد مشابهی دارند. تشعشعات الکترومغناطیسی این فرها با طول موج متفاوت (۱۲ سانتی‌متر به‌جای ۵۰۰ نانومتر) جذب غذاها می‌شوند.

 ۲. سوزاندن

آتش انواع مختلفی دارد. با این حال، متداول‌ترین نوع آتش، واکنش شیمیایی بین کربن و اکسیژن است. در طول این واکنش، از پیوند اکسیژن و کربن، کربن‌دی‌اکسید به دست می‌آید. وقتی پیوندی شیمیایی بین این دو عنصر شکل می‌گیرد، مقدار زیادی انرژی آزاد می‌شود. درنتیجه می‌توان از ایجاد پیوندها به انرژی رسید نه صرفا شکستن آن‌ها.

افراد در زندگی روزمره‌ی خود بارها فرایند فوق را انجام داده‌اند. آن‌ها شاخه‌های درخت را جمع‌آوری کرده‌اند و سپس با افزایش دمای آن، واکنش بین اکسیژن و هوا را امکان‌پذیر ساخته‌اند. البته برای چنین واکنشی لزوما نیاز به چوب نیست.

سوخت‌های فسیلی هم گزینه‌ی مناسبی هستند (البته اگر نابودن کردن گیاهان برای نسل‌های آینده را نادیده بگیرید). می‌توان از سوزاندن فلزهایی مثل آهن یا آلومینیوم هم به آتش رسید اما این فرایند کمی پیچیده‌تر است.

۳.  ایجاد جریان الکتریکی

ساخت مدار الکتریکی از صفر کار دشواری نیست. برای این کار تنها به یک باتری و سیم جریان نیاز دارید. یک باتری ساده از دو فلز متفاوت و نوعی اسید در میان آن‌ها تشکیل شده است. حتی می‌توانید با سکه برای خود باتری بسازید.

باتری، میدان الکتریکی را داخل سیم ایجاد می‌کند و این میدان شتاب الکترون‌های آزاد را افزایش می‌دهد. بااین‌حال، الکترون‌ها نهایتا با اتم‌های تشکیل‌دهنده‌ی سیم فلزی برخورد می‌کنند، بنابراین سرعتشان آهسته شده و انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند. از طرفی انرژی ذخیره شده، به بخش دیگری منتقل می‌شود. درنتیجه کاهش انرژی جنبشی الکترون‌ها منجر به افزایش انرژی گرمایی سیم می‌شود.

تمام سیم‌های حامل جریان الکتریکی، گرم می‌شوند و درنتیجه دما را افزایش می‌دهند. دفعه‌ی بعدی که خواستید از جاروبرقی استفاده کنید، دست خود را روی کابل آن قرار دهید تا گرمای آن را احساس کنید. جاروبرقی‌ها معمولا جریان زیادی دارند.

البته هیچ‌کس نمی‌خواهد سیم‌های داخل خانه‌اش بیش از اندازه داغ شوند؛ اما عملکرد تستر متفاوت است. داخل این دستگاه سیمی با جریان الکتریکی قرار دارد که آن را داغ می‌کند و وقتی نان را کنار آن سیم قرار می‌دهید، نان حالتی خشک پیدا می‌کند. همین فرایند برای فر برقی صدق می‌کند.

برای رسیدن به عملکرد مدنظر باید در انتخاب سیم دقت کرد. برای مثال دمای سیم‌های ضخیم به اندازه‌ی سیم‌های باریک افزایش پیدا نمی‌کند؛ بنابراین جنس ماده هم در میزان گرمای دریافتی مؤثر است. برای مثال فلز نیکروم، بیشتر از مس گرم می‌شود.

روش‌های دیگر

در ادامه به روش‌های دیگر افزایش دما اشاره شده است:

درنتیجه، روش‌های آسانی برای تولید گرما وجود دارد. تقریبا تمام فعالیت‌های گرمای محیط را افزایش می‌دهند، زیرا این فعالیت‌ها عامل انتقال انرژی به اشیای دیگر هستند.

روش‌هایی برای سردسازی اشیاء

اما چگونه می‌توان دمای اشیاء را پائین آورد؟ معمولا کاهش دما دشوارتر است. در ادامه به برخی روش‌های سردسازی اشیاء اشاره شده است.

۱.   قرار دادن شیء کنار شیء سرد

این ترفند ساده است. اگر نوشیدنی خود را در تشتی پر از یخ قرار دهید، تعامل گرمایی، بین دو شیء رخ می‌دهد. یخ گرم می‌شود و نوشیدنی شما به لطف جادوی ترمودینامیک سرد می‌شود. اما یک مشکل وجود دارد. برای این روش باید شیء سرد آماده باشد. یخ انتخاب خوبی است زیرا با دریافت انرژی زیاد، دمای آن افزایش پیدا می‌کند و از فاز جامد وارد فاز مایع می‌شود. درنتیجه، نوشیدنی گرم انرژی زیادی را به یخ منتقل می‌کند.

امروز می‌توانید در هر فروشگاهی کیسه‌های یخ را پیدا کنید اما در سال‌های دور، یخ فقط در زمستان پیدا می‌شد. البته خانه‌های یخی عایق‌داری وجود داشتند که راز ذوب نشدن یخ‌ها، استفاده از قطعات و بلوک‌های یخی بزرگ بود. هر چقدر توده‌ی یخی بزرگ‌تر باشد، زمان بیشتری برای ذوب آن لازم است. برای مثال در فیلم یخ‌زده، شغل کریستف برداشت یخ دریاچه و ذخیره‌سازی آن برای تابستان بود.

۲. فرایند تبخیر

در این روش، مایع انرژی کافی را برای تبدیل به گاز دریافت می‌کند. اگر مایع مدنظر آب باشد، به بخار آب تبدیل می‌شود. ازآنجاکه این گذار فاز نیاز به انرژی دارد، مقداری از آب با انرژی کمتر باقی می‌ماند و بنابراین دما را کاهش می‌دهد.

تعریق بدن انسان هم نوعی فرایند تبخیر است. پوست آب را ذخیره می‌کند و با تبخیر رطوبت پوست، بدن خنک می‌شود. تعریق بدن معمولا در شرایط رطوبت بالای هوا افزایش می‌یابد. آب از روی پوست، تبخیر می‌شود اما در عین حال بخار آن مجددا روی پوست می‌نشیند و نتیجه‌ی نهایی پیراهنی خیس است.

فرایند سرمایش تبخیری را می‌توان در اشیای دیگر هم مشاهده کرد. یکی از یخچال‌های باستانی برای خنک نگه‌داشتن غذاها، کوزه‌های رسی هستند. با قرار دادن غذا در کوزه‌ی رسی و سپس قرار دادن آن کوزه در کوزه‌ای دیگر و ریختن لایه‌ای از شن و آب بین آن‌ها، دمای غذا بالا نمی‌رود و درنتیجه‌ فاسد نمی‌شود. درنتیجه با تبخیر آب، کوزه‌ی داخلی خنک می‌شود. البته این فرایند در مناطق خشک نتیجه‌بخش است که سرعت تبخیر آب نسبتا بالا است.

اما درباره‌ی پنکه چه می‌توان گفت؟ اگر یک روز داغ مقابل پنکه بنشینید، حس خنکی می‌کنید؛ اما پنکه‌ها معمولا دمای هوا را کاهش نمی‌دهند بلکه صرفا جریان هوا را افزایش می‌دهند. به این ترتیب سرعت تبخیر روی پوست افزایش پیدا می‌کند؛ اما اگر پوست شما همیشه عرق نمی‌کند، پنکه نتیجه‌ی چندان مفیدی نخواهد داشت.

برخی اوقات فن‌ها برای اشیای دیگر نتیجه‌بخش هستند. برای مثال فن داخل کامپیوتر، جریان هوا روی سی پی یوی داغ را افزایش می‌دهد. درنتیجه تماس گرمایی بین هوا و پردازنده‌ی گرم افزایش یافته و دمای پردازنده یکسان با دمای اتاق باقی می‌ماند؛ اما فن یا پنکه‌ی داخل کامپیوتر نمی‌تواند از حد مشخصی دمای هوا را پائین‌تر بیاورد.

۳. انبساط و انقباض

 اما فرآیندهای مدرن سرمایشی مثل کولر داخل خودرو یا خانه چگونه عمل می‌کنند؟ یخچال چطور؟ هر دو دستگاه، تقریبا عملکرد مشابهی دارند. هر دو دستگاه، در درجه‌ی اول با تولید گرمایش، محیط اطراف را خنک می‌کنند.

برای درک بهتر فرایند کولر و یخچال، نواری لاستیکی بردارید. هرچقدر نوار ضخیم‌تر باشد، نتیجه‌ی بهتری به دست خواهد آمد. سپس آن را سریع بکشید و تا زمانی‌که به لب بالایی‌تان برسد این کار را ادامه دهید (لب بالایی به دما حساس است). در این مرحله گرمای لاستیک را احساس می‌کنید. تا وقتی که دمای لاستیک کاهش پیدا کند آن را در حالت کشیده نگه دارید. پس از آنکه دمای لاستیک به دمای اتاق رسید، بگذارید نوار لاستیکی آرام آرام به حالت اول خود بازگردد. اگر دوباره نوار را به لب خود نزدیک کنید، احساس سرما می‌کنید.

AC (جریان متناوب) از نوار لاستیکی استفاده نمی‌کند. بلکه ماده‌ی سردکننده‌ای دارد (R134A یکی از مواد رایج است) که داخل مدار بسته‌ای از خارج خانه حرکت می‌کند. وقتی این ماده فشرده می‌شود، نه‌تنها داغ‌تر می‌شود بلکه می‌تواند از فازی مثل گاز به مایع تبدیل شود. به این ترتیب دمای محیط را پائین می‌آورد و سپس هوای خنک به داخل خانه جریان پیدا می‌کند.

حالا متوجه می‌شوید که چرا با باز گذاشتن در یخچال نمی‌توان خانه را خنک کرد. داخل یخچال صرفا به این دلیل سرد است که در قسمت پشت آن فرایند گرمایشی در جریان است. همچنین سیم‌های الکتریکی و موتورها را باید به آن اضافه کرد. درنتیجه روی هم رفته، باز گذاشتن در یخچال حتی می‌تواند دمای داخل اتاق را افزایش دهد.

روش‌های دستی

سردکننده‌ی پلتیر، از دو فلز متفاوت تشکیل شده است که به یکدیگر وصل شده‌اند. وقتی جریان الکتریکی در واسط بین این دو فلز جریان پیدا می‌کند، یک طرف آن داغ و سمت دیگر سرد می‌شود. این اثر بسیار کوچک است بنابراین نیاز به تعدادی از این اتصال‌ها دارید تا تأثیر سرمایشی آن را حس کنید.

اگر به‌جای انتقال جریان از دستگاه پلتیر، یک سمت را داغ و سمت دیگر را سرد کنید می‌توانید برق تولید کنید. این فرایند دقیقا در ژنراتور ترموالکتریک رخ می‌دهد. این ژنراتور هیچ بخش متحرکی ندارد. زیاد بهینه نیست اما اگر شیء داغی مثل منبع رادیو اکتیو و شیء سردی مثل فضای خلاء را داشته باشید، می‌توانید از تعامل این دو انرژی تولید کنید. به همین دلیل این مبدل در فضاپیماها مفید است.

روش‌های دیگری هم برای سرمایش وجود دارند. برای مثال می‌توان با استفاده از لیزر و اثر داپلر از اتم‌ها به انرژی رسید. همچنین روش سرمایش مغناطیسی مشابه AC است با این تفاوت به‌جای ماده‌سرد کننده نیاز به افزایش گرمای میدان مغناطیسی دارد.

به‌طور کلی افزایش گرما یا داغ کردن اشیاء کار ساده‌ای است زیرا تحت هر شرایطی می‌تواند رخ دهد. برای سرد کردن اشیاء باید یک شیء داغ و یک شیء سرد داشته باشید. اینجا است که شرایط پیچیده می‌شود؛ اما دما مانند مسافت نیست. رفتن به یک جهت آن (افزایش دما) ساده‌تر از حرکت به جهت دیگر (کاهش دما) است. به همین دلیل دما عجیب‌تر از حد تصور است.