[پرسش ۴-۳] [فیزیک] [دهم]
چند گوی فلزی هماندازه از جنسهای مختلف، مثلاً آلومینیم، فولاد، برنج، مس، سرب و .... را اختیار میکنیم که همگی جرم یکسانی داشته باشند. گویها را توسط ریسمانهایی داخل ظرف آبی قرار میدهیم که آب آن در حال جوشیدن است و پس از مدتی گویها را بیرون آورده و آنها را روی یک ورقهٔ ضخیم پارافین قرار میدهیم. به نظر شما کدام گوی، بیشتر در پارافین فرو میرود و علت آن چیست؟
پاسخ تشریحی و گام به گام [پرسش ۴-۳] [فیزیک] [دهم]
این یک سؤال مفهومی فوقالعاده است که به ما کمک میکند تا تفاوت بین «دما» و «گرما» و نقش **گرمای ویژه** را درک کنیم. بیایید مسئله را تحلیل کنیم.
**تحلیل شرایط آزمایش:**
1. **جرم یکسان:** همه گویها جرم یکسانی دارند ($m$).
2. **دمای اولیه یکسان:** همه گویها در آب جوش قرار گرفتهاند، پس همگی به دمای تعادل با آب جوش یعنی $100^\circ C$ میرسند ($T_{\text{اولیه}}$).
3. **فرو رفتن در پارافین:** گویها روی پارافین قرار میگیرند و آن را ذوب میکنند. گویی که پارافین **بیشتری** را ذوب کند، **عمیقتر** فرو میرود.
**مفهوم فیزیکی کلیدی:**
برای ذوب کردن پارافین به **گرما (انرژی گرمایی)** نیاز است. پس گویی که بتواند **گرمای بیشتری** به پارافین منتقل کند، آن را بیشتر ذوب کرده و عمیقتر فرو میرود.
مقدار گرمایی که هر گوی هنگام سرد شدن (از $100^\circ C$ تا دمای ذوب پارافین) از دست میدهد، از رابطه زیر به دست میآید:
$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$
* $m$ (جرم) برای همه گویها یکسان است.
* $\Delta T$ (تغییر دما) برای همه گویها تقریباً یکسان است (همگی از $100^\circ C$ تا دمای ذوب پارافین سرد میشوند).
* $c$ (**گرمای ویژه**) برای هر گوی متفاوت است.
بنابراین، مقدار گرمای آزاد شده ($Q$) فقط به **گرمای ویژه ($c$)** بستگی دارد.
> **گویی که گرمای ویژه بالاتری دارد، به ازای هر درجه کاهش دما، گرمای بیشتری آزاد میکند.**
**مقایسه گرمای ویژه فلزات:**
بیایید نگاهی به مقادیر گرمای ویژه (تقریبی) این فلزات بیندازیم (واحد: $J/kg \cdot ^\circ C$):
* **آلومینیم:** $c \approx 900$
* **فولاد (آهن):** $c \approx 450$
* **برنج:** $c \approx 380$
* **مس:** $c \approx 387$
* **سرب:** $c \approx 129$
همانطور که میبینید، **آلومینیم** با اختلاف زیاد، **بالاترین گرمای ویژه** را در میان این فلزات دارد.
**نتیجهگیری:**
گوی **آلومینیمی** بیشتر در پارافین فرو میرود.
**علت:** چون آلومینیم گرمای ویژه بالاتری دارد، در مقایسه با سایر فلزات با جرم و دمای یکسان، **انرژی گرمایی بیشتری** را در خود ذخیره کرده است. وقتی روی پارافین قرار میگیرد، این انرژی ذخیره شدهٔ بیشتر را آزاد میکند که منجر به ذوب شدن حجم بیشتری از پارافین و در نتیجه، فرو رفتن عمیقتر در آن میشود.
