رکورد سردترین دمای آب مایع

رکورد سردترین دمای آب مایع

آب در دمای منفی ۴۲٫۵۵ مایع می‌ماند

رکورد سردترین دمای آب مایع
رکورد سردترین دمای آب مایع

دانشمندان موفق شدند به ویژگی‌های قابل توجهی در آب پی ببرد و رکورد جدیدی را برای سردترین دمای آب مایع ثبت کنند.

به گزارش ایسنا و به نقل از گیزمودو، محققان دریافتند که آب را بدون اینکه یخ بزند می‌توان تا منفی ۴۲٫۵۵ درجه سانتی‌گراد سرد کرد که این یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد آب است.

محققان دریافتند در فشار عادی و یک دمای منفی ۴۲٫۵۵ درجه آب مایع می‌تواند به صورت دو مایع مجزا با راههای متفاوت برای بهم پیوستن مولکولها وجود داشته باشد. در این شرایط آب نمی‌تواند تصمیم بگیرد که در کدام حالت باشد. محققان این وضعیت را به یک دو راهی تصمیم گیری تشبیه کردند.

 تیمی از محققان دانشگاه گوت فرانکفورت توانستند آزمایش‌هایی را برای کمترین درجه‌ای که آب در آن می‌تواند مایع باشد انجام دهند و نتایج بررسی آنها در مجله  Physical Review Letters منتشر شده است.

پژوهشگران عنوان کردند: این درست است که به طور معمول آب در دمای صفر درجه سانتیگراد سرد است و در پایین‌تر از آن یخ می‌زند، اما آنها دریافتند که در شرایط خاص، آب مایع را می‌توان بسیار سردتر داشت.

فیزیکدانان دانشگاه گوت فرانکفورت می‌گویند که دانستن اینکه در دماهای پایین آب چه زمان یخ میزند و چه زمان مایع باقی می ماند میتواند به فهم بهتر تشکیل یخ در جو و به محققان در توسعه مدلهای جوی مطمئن تر کمک کند.

بیشترین چگالی آب خالص در دمای ۳٫۹۸ درجه سلسیوس (۳۹٫۱۶ درجه فارنهایت) حاصل می‌شود که برابر ۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب یا ۱۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.

فرمول شیمیایی آب، H۲O است؛ مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده‌است که با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند. اتم‌های هیدروژن دارای مقداری بار مثبت هستند و با زاویه نزدیک به ۱۰۵ درجه در اطراف اتم اکسیژن قرار گرفته‌اند که این موضوع باعث قطبی شدن پیوندهای مولکول آب شده‌است. جرم مولی آب برابر ۱۸/۰۱۵ گرم بر مول می‌باشد.

رکورد سردترین دمای آب مایع ، اخبار فیزیک ، مقالات فیزیک ، علم فیزیک ، فیزیک کوانتوم ، فیزیک نجوم ، مکانیک ، الکترومغناطیس

نخستین پرتو کششی صوتی

ابداع نخستین پرتو کششی صوتی جهان

تیمی از محققان دانشگاههای بریستول و ساسکس با همکاری شرکت Ultrahaptics موفق به ساخت نخستین پرتو کششی صوتی جهان شده‌اند که می‌تواند اجسام را با استفاده از امواج صوتی بلند کرده و حرکت دهد.

علم فیزیک - نخستین پرتو کششی صوتی
نخستین پرتو کششی صوتی

به گزارش سرویس علمی ایسنا، پرتوهای کششی، اشعه‌های اسرارآمیزی هستند که می‌توانند اجسام را بلند کنند. این مفهوم توسط نویسندگان داستان‌های علمی‌تخیلی استفاده می‌شد اما مدتی است که توجه دانشمندان و مهندسان را نیز به خود جلب کرده است.

محققان انگلیسی اکنون یک پرتوی کششی کاربردی تولید کرده‌اند که از امواج صوتی با دامنه بالا برای تولید یک هولوگرام صوتی استفاده می‌کند و می‌تواند اجسام کوچک را از جایشان برداشته و حرکت دهد.

این شیوه می‌تواند برای طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار بگیرد. برای مثال یک خط تولید صوتی می‌تواند اجسام ظریف را بدون تماس پیدا کردن با آن‌ها، حمل و مونتاژ کند. از سوی دیگر، یک نسخه مینیاتوری می‌تواند کپسول‌های دارو را گرفته و حمل کند یا ابزارهای میکروجراحی را میان بافت زنده به حرکت دربیاورد.

محققان از مجموعه‌ای شامل ۶۴ بلندگوی مینیاتوری برای ایجاد امواج صوتی بم و شدید استفاده کردند. پرتو کششی با محاصره کردن جسم توسط صدای شدید کار کرده و با ایجاد یک میدان نیرو، اجسام را در جای خود نگه می‌دارد. با کنترل دقیق خروجی بلندگو، می‌توان جسم را در جای خود نگه داشت یا آن را حرکت داد و چرخاند.

این محققان نشان دادند که سه شکل متفاوت از میدان نیروی صوتی به عنوان پرتوی کششی عمل کردند. اولی یک میدان نیروی صوتی شبیه به دو انگشت یا موچین است. دومی یک گرداب صوتی است که اجسام در آن گیر کرده و سپس در هسته حبس می‌شوند. سومین شکل نیز مانند یک قفس با شدت بالاست که جسم را محاصره کرده و آن را از همه جهات در جای خود نگه می‌دارد.

جزئیات این ابداع در مجله Nature Communications منتشر شده است.

یکاهای دما

یکاهای دما

اندازه گیری دما یکی از مهمترین مسائل چه در زندگی روزمره و چه در علوم است. بخاطر همین اهمیت در طول تاریخ روشهای مختلفی برای اندازه گیری دما ابداع شده است و به علت وجود نارسائیهایی در آنها همواره به تکامل آن اهتمام ورزیده شده است. در اینجا می‌خواهیم در مورد انواع یکاهای‌دما ، نارسائیهای آن و فرم تکامل یافته امروزی آنها بحث کنیم. مسیر تحولی و رشد در تمام وسایلی که در سده ۱۸ برای اندازه گیری دما طراحی شد، در واقع اندازه گیریها عبارت بودند از پیدا کردن طول ستون آب – الکل و یا جیوه.

بدیهی است که می‌شد دو دماسنج یکسان ساخت و آنها را طوری تنظیم کرد که همواره قرائتهای یکسان داشته باشند، اما این دماسنجها فقط در گستره دمایی محدودی کار می‌کردند. مایعی که با آن دماسنج را پر می‌کردند یخ می‌بست یا به جوش می‌آمد. با چنین دماسنجهایی نمی‌توانستند دماهای خیلی بالا یا خیلی پایین را اندازه بگیرند. از طرفی رابطه میان درجات بین دماسنجها متفاوت بود پس نخستت لازم بود نقطه‌های مرجع ، یعنی شرایط متناظر با نقاط انتخابی معین روی مقیاس دماسنج ، مانند مبدا مقیاس ، انتخاب شوند. دوم آن که ضریبی برای درجه که به انتخاب دما بستگی نداشته باشد و بتوان برای بازسازی مقیاس در هر زمان و در هر نقطه از زمین ، استفاده کرد.

چگونه می‌توان دما را به طرز دقیقتر تعیین کرد، تا اینجا هنوز بدون پاسخ مانده است. اگر دما کمیتی فیزیکی است باید روشی برای تعیین آن وجود داشته باشد، روشی که حداقل در اصل مستقل از ماده‌ای باشد که در طراحی دماسنج بکار رفته است. این مساله بعد از ابداع ترمودینامیک حل شد. راه حل را در سال ۱۲۲۷/۱۸۴۸، رودلف ژولیوس امانوئل کلوزیوس ، با بهره گیری از نظریه کارنو درباره گرما پیدا کرد.

اندازه گیری دما

بسیاری خواص فیزیکی سنجش پذیر وجود دارند که همچنانکه ادراک فیزیولوژیکی ما از دما تغییر می‌کند، آنها هم تغییر می‌کنند. از جمله این خواص می‌توان از حجم یک مایع ، طول یک میله ، فشار یک گاز در حجم ثابت ، حجم یک گاز در فشار ثابت ، مقاومت الکتریکی یک سیم نام برد. هر یک از این خواص را می‌توان در ساختن یک دماسنج ، یعنی به وجود آوردن یک مقیاس “خصوصی دما” بکار برد. پس ابتدا باید یک ماده دماسنجی بخصوص با یک خاصیت دماسنجی خاصی از این ماده انتخاب کنیم.

سپس این مقیاس دمایی را توسط یک رابطه فرضی یکنوا و پیوسته بین خاصیت دماسنجی انتخاب شده و دمای اندازه گیری شده با مقیاس خصوصی ، تعریف کنیم. باید توجه کنیم که هر نوع انتخاب ماده و خاصیت دماسنجی ، همراه با رابطه‌های مفروض بین خاصیت و دما ، منجر به یک خاصیت دمایی خاص می‌شود که اندازه گیریهای آن الزاما با اندازه گیریهای حاصل از هر مقیاس دمایی دیگری که مستقلا تعریف شده است، توافق نخواهد داشت. فرض کنیم ماده دماسنجی را انتخاب کرده باشیم، خاصیتی از این ماده را که می‌خواهیم از آن در تدوین مقیاس دمایی استفاده کنیم بالا نشان می‌دهیم. به دلخواه ، یک تابع خطی از ، X را به عنوان دمای دماسنج مورد نظر و هر سیستمی که با آن در تعادل گرمایی است انتخاب می‌کنیم:

T(X) = ax

در این رابطه a مقدار ثابتی است که باید آنرا تعیین کنیم. با انتخاب این مشکل خطی برای (T(X ، آنرا طوری ترتیب داده‌ایم که اختلاف دماهای مساوی یا بازه‌های دمایی مساوی ، متناظر با تغییرات مساوی در X باشند. به این معنی که مثلا هر گاه طول ستون جیوه در لوله دماسنج جیوه‌ای به اندازه یک واحد تغییر کند، دما نیز به اندازه ثابت و معینی تغییر خواهد کرد و فرقی نمی کند که دمای شروع کار چه باشد. پس نسبت در دمای اندازه گیری شده توسط یک دماسنج ، مساوی با نسبت X های متناظر آنهاست. یعنی:

T(X1)/T(X2) = X1/X2

تعیین ثابت دماسنجی

برای تعیین ثابت a و در نتیجه درجه بندی کردن دماسنج ، نقطه استاندارد ثابتی را مشخص می‌کنیم که در آن تمام دماسنجها برای دمای T مقدار یکسانی را نشان بدهند این نقطه ثابت را نقطه سه گانه آب انتخاب می‌کنیم که در آن یخ ، آب و بخار آب باهم در حال تعادل هستند. این حالت فقط در فشار معینی حاصل می شود و یگانه است. فشار بخار آب در نقطه سه گانه ۴٫۵۸ میلیمتر جیوه است. دما در این نقطه ثابت استاندارد ، به دلخواه مساوی با ۲۷۳٫۱۶ درجه کلوین اختیار شده است که در ابتدا به صورت K273.16˚ نوشته می‌شد. بعدا نام کلوین (با نماد K) جای درجه کلوین (با نماد K˚) را گرفت.

واحد دمای ترمودینامیکی

کلوین واحد دمای ترمودینامیکی است. کلوین یعنی واحد دمای ترمودینامیکی عبارت است از: ۲۷۳٫۱۶/۱ دمای ترمودینامیکی نقطه سه گانه آب.

دماسنجهای گوناگون را بسازیم؟

اگر مقادیر مربوط به نقطه سه گانه را با شاخص tr مشخص کنیم، در مورد هر دماسنجی داریم:

T(X)/T(XXtr)=X/XXtr

که برای تمام دماسنجها T(XXtr) = 273.16K است و در نتیجه:

T(X) = 273.16K X/TXtr

پس هر گاه مقدار خاصیت دماسنجی X باشد، با قرار دادن مقدار X و Xtr در سمت راست معادله فوق ، دمای (T(X در مقیاس خاصی که انتخاب کرده‌ایم، برحسب K بدست می‌آید. در مورد یک گاز با فشار ثابت ، X متناظر است با V یعنی حجم گاز و:

(P ثابت ۲۷۳٫۱۶V/VXtr = T(V

در مورد یک گاز با حجم ثابت X متناظر با P، یعنی فشار گاز؛

(V ثابت ۲۷۳٫۱۶K P/PXtr = T(P

در یک دماسنج مقاومتی پلاتینی ، X همان R یعنی مقاومت الکتریکی است.

T(R) = 273.16K R/RXtr

دماسنج استاندارد

دماسنجهایی که در مورد آنها صحبت کردیم همه در نقطه ثابت استاندارد یعنی سه گانه آب باهم توافق دارند، ولی مشکل آنجاست که آزمایش نشان می‌دهد که دماسنجها دمای یک سیستم معین را با مقادیر متفاوتی نشان می‌دهند. حتی هنگامی که دماسنجهایی از یک نوع ، مثلا دماسنجهای گازی ولی با گازهای متفاوت بکار برده می‌شوند باز هم مقادیر متفاوتی را برای یک سیستم اندازه گیری می‌کنند.

بنابراین، برای داشتن یک مقیاس دمایی قطعی باید یک دماسنج استاندارد انتخاب کرد. این انتخاب بر پایه تسهیلات تجربی صورت نمی گیرد، بلکه با تحقیق این نکته به عمل می اید که مقیاس دمایی تعریف نشده به وسیله یک دماسنج بخصوص، تا چه حد می تواند در فرمول بندی قوانین فیزیک مفید باشد. کوچکترین اختلالها در مقادیری مشاهده می‌شود که توسط دماسنجهای مختلف “گاز با حجم ثابت” خوانده شده اند، و این ما را بر آن می‌دارد که یک گاز را به عنوان ماده استاندارد دماسنجی انتخاب کنیم.

هر چه فشار گاز را کم کنیم، اختلاف مقادیر خوانده شده توسط دماسنجهایی که در آنها از گازهای متفاوت استفاده شده است نیز کلاهش می یابد. پس دماسنج گازی با حجم ثابت معیار خوبی خواهد بود.

مقیاس دمایی سیلسیوس

در مقیاس دمایی سیلسیوس ، از یکای “درجه سیلسیوس” (با علامت C˚) استفاده می‌شود. در این مقیاس نقطه سه گانه آب (طبق تعریف مساوی با ۲۳۷٫۱۶K) مطابق است با C 0.01˚. نقطه پایینی در مقیاس سیلسیوس دمایی است که در آن یخ و آب اشباع شده از هوا در فشار جو باهم در تعادلند و نقطه ذوب یخ نامیده می‌شود. که ۰٫۰۰ درجه سیلسیوس است و دمایی که در آن بخار و آب در فشار یک اتمسفر در حال تعادلند و نقطه بخار نامیده می‌شود و ۱۰۰,۰۰ درجه سسلسیوس است. بین این دو نقطه به صد قسمت مساوی تقسیم می‌شود که هر یک ، یک درجه سیلسیوس با یک درجه سانتیگراد نام دارد. اگر Tc دمای سیلسیوس باشد، معادله Tc =T – ۲۷۳٫۱۵ ارتباط دمای سیلسیوس (Tc(˚C را با دمای کلوین (T(K بیان می‌کند.

مقیاس دمای فارنهایت

در درجه بندی فارنهایت مایع دماسنجی جیوه اختیار می‌شود. نقطه پایینی دمای مخلوط یخ و نشادر و حد بالای آن دمای بدن انسان سالم اختیار می‌شود و آن را عدد ۹۶ در نظر می‌گیرند و از صفر تا ۹۶ را به ۹۶ قسمت مساوی تقسیم می‌کنند و هر یک ، یک درجه فارنهایت نامگذاری می‌شود. از مقیاس فارنهایت که هنوز هم در بعضی از کشورهای انگلیسی نیز استفاده می‌شود، در کارهای علمی استفاده نمی‌شود (خود انگلیسیها در سال ۱۹۶۴ مقیاس سیلسیوس را برای استفاده‌های تجاری و غیر نظامی پذیرفتند). رابطه مقیاسهای فارنهایت و سیلسیوس به این صورت است:

Tf = 32 + 9/5Tc

از این رابطه می‌توان نتیجه گرفت که نقطه یخ (C 0.00˚) معادل با ۳۲٫F 0˚ و نقطه بخار (۱۰۰٫C 0˚) معادل با ۲۱۲٫F 0˚ و هر درجه فارنهایت دقیقا ۵٫۹ برابر یک درجه سیلسیوس است.

مقیاس عملی بین المللی دما

دماسنج استاندارد عبارتست از دماسنج گازی با حجم ثابت. نقطه ثابت استاندارد در دماسنجی ، نقطه سه گانه آب است که برای آن به دلخواه مقدار۲۷۳٫۱۶ K در نظر گرفته شده است. مقیاس گازی برای تعریف دمای گاز کامل از رابطه (T= 273.16 K (limp/P + r بکار می‌رود. این مقیاس در گستره‌ای که یک دماسنج گازی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، با مقیاس کلوین (تومودینامیکی مطلق) یکسان است.

آنتروپی از دیدگاه ترمودینامیک آماری

آنتروپی از دیدگاه ترمودینامیک آماری

دو حباب شیشه ای را در نظر بگیرید که به همدیگر متصلند. اگر یک مول از گاز ایده آل (بدون نیروهای بین مولکولی) به درون این حبابها تزریق شود، از لحاظ کلاسیک تنها یک حالت با حداکثر آنتروپی را می توان تصور کرد. یعنی پخش یکسان تمام مولکولها در هر دو حباب با فشار و دمای یکسان در تمام نقاط.

اکنون با دیدگاه ترمودینامیک آماری فرض کنید مثلا یک مولکول از گاز ایده آل را به درون این حبابها تزریق می کنیم. احتمال اینکه این مولکول در حباب چپ یا راست قرار بگیرد چقدر است؟ پاسخ ساده است: یک دوم. اگر تعداد مولکولها را به دو برسانیم، چه احتمالی دارد هر دو مولکول در حباب راست جا بگیرند؟ یک چهارم، یعنی یک دوم به توان ۲٫ به همین ترتیب برای یک مول از این مولکولها چه احتمالی وجود دارد، تمام آنها در حباب راست قرار بگیرند؟ یک دوم به توان عدد آووگادرو! این احتمال بسیار بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. شبیه احتمال تایپ دیوان حافظ توسط یک میمون!

در علوم مختلف بسته به نوع کاربرد آنها معمولا حدی از احتمالات کوچک را برابر با صفر در نظر می گیرند. در ترمودینامیک آماری به خاطر سر و کار داشتن با تعداد خیره کننده از اتمها و مولکولها، اگر چه هر احتمالی وجود دارد، اما بسیاری از آنها به سمت صفر میل می کند و بدینگونه پیش بینی های ترمودینامیک آماری با کلاسیک یکسان می شود. در نظریه کلاسیک با قاطعیت بیان می شود که آنتروپی یک سیستم منزوی هیچگاه کاهش نمی یابد، اما در ترمودینامیک آماری احتمال کاهش آنتروپی وجود دارد، اما بسیار کوچک است. اگر شما به تعداد آووگادرو از حبابهای مذکور داشته باشید، در یکی از آنها یک مول گاز در یکی از حبابها قرار دارد. پس همین قدر بدانید که در دنیای ترمودینامیک آماری، احتمال جهش خود به خودی یک سنگ به سمت بالا، جدا شدن اکسیژن و قرار گرفتن آن در یک نیم کره زمین، ترمیم خود به خودی یک لیوان شکسته به حالت اولیه خود و حتی تبدیل یک سگ به میمون و نظیر چنین رخدادهایی صفر نیست!

البته در زندگی معمولی بر روی کره بسیار محدود زمین، نگران چنین احتمالاتی نباشید. زمانی این احتمالات در نظر گرفته می شود که شما با یک جهان تقریبا بی نهایت سروکار داشته باشید. مثلا از لحاظ تحلیلی می توان گفت در یک جهان بسیار وسیع که حتی از لحاظ آنتروپی به حداکثر رسیده، چنین احتمالی هست که در یک گوشه آن آنتروپی کم شده و دنیای ما با کهکشانهایش ، دستگاه خورشیدی، زمین و انسانها به وجود آید و آنگاه به سمت افزایش آنتروپی پیش رود! شبیه همان حبابهای استثنایی که تمامی گاز در حباب راست قرار می گیرد و اکنون با افزایش آنتروپی، گاز به سمت حباب چپ جریان پیدا می کند و موجودات زنده تا زمان مرگ حرارتی، از این جریان گاز و انرژی با کیفیت برای زندگی و بقای خود استفاده می کنند.

در ترمودینامیک آماری نیز جهان با افزایش آنتروپی رو به روست ، چون احتمال آن خیلی بیشتر است. احتمال بی نظمی از نظم خیلی بیشتر است. ۱۰ کارت با شماره های یک تا ۱۰ در نظر بگیرید، اگر نظم را ردیف شدن کارتها از یک تا ۱۰ در نظر بگیریم، احتمال اینکه پس از اختلاط تصادفی چنین نظمی حاصل شود، بسیار کم است. خودتان حساب کنید! احتمال اینکه مدار یک سیاره دایره باشد، در میان انبوهی از احتمال مدارهای بیضی خیلی کوچک است! مثالهای انبوهی وجود دارد که همگی به این نتیجه ختم می شود : حالتی از سیستم که احتمال بیشتری دارد، دارای آنتروپی بیشتری است.

موفقیت نظریه های آماری در رفتار گازها (نظریه جنبشی گازها) در ترمودینامیک آماری به اوج می رسد. بحثی که قبلا به آن پرداختیم با توضیح تخصصی تر اینگونه بیان می شود که در یک ماکرو سیستم ، آنتروپی متناسب با تعداد روشهای ذخیره انرژی یا تعداد حالتهایی است که آن سیستم می تواند داشته باشد. بهتر است با یک مثال ساده این موضوع را باز کنیم. سیستمی حاوی دو ذره Aو B با ترازهای انرژی Eرا در نظر بگیرید. اگر سیستم ۲E انرژی داشته باشد به ۳ روش می تواند انرژی خود را ذخیره کند. در روش اول Aو B در تراز E قرار می گیرند. در دوحالت بعدA یا B در تراز۲E قرار می گیرد. اگر انرژی سیستم مثلا باافزایش دما به۳Eافزایش یابد، سیستم به ۴ روش قابلیت ذخیره انرژی را داراست.(این ۴ روش کدامند؟) بنابراین آنتروپی افزایش یافته است. یعنی شبیه همان ترمودینامیک کلاسیک که افزایش دمای سیستم باعث افزایش آنتروپی می شود.

به همین ترتیب در هر دو نظریه، افزایش حجم سیستم مذکور باعث افزایش آنتروپی می شود. افزایش حجم یا انبساط گاز ایده آل، طبق معادله ذره در جعبه En = n2h2/8ma2باعث نزدیک تر شدن ترازهای انرژی جنبشی به یکدیگر شده و روشهای ذخیره انرژی را افزایش می دهد.. به عبارت ساده تر هر چه اختیارات یا آپشنهای یک سیستم بیشتر شود، آنتروپی آن نیز افزایش می یابد! ظاهرا نظم با آزادی در حد از هم گسیختگی هم راستا نیست! ( وای به حال سیستمهایی که نه نظم دارند و نه آزادی!) با این حال یک موجود زنده تعادلی است میان نظم و بی نظمی. اگر بدن خود ما بسوزد، بی نظم تر می شود و اگر یخ بزند منظم تر می گردد، اما هر دو حالت یک معنا دارد: مرگ!

ترمودینامیک آماری خیلی مفصل تر از بحث بالاست. متاسفانه در این پست نمی توان بیش از این به آن پرداخت. امیدوارم دوستان کنجکاو پی گیر این بحث عمیق و جالب باشند. حداقل برای تمرین، برخی موارد که در نظریه کلاسیک با افزایش آنتروپی همراه است را پیدا کنید و سعی کنید با شیوه آماری به توضیح آنها بپردازید. چرا گازها مخلوط می شوند؟ چرا با تبدیل نور سفید خورشید به مادون قرمز، آنتروپی افزایش می یابد؟ چرا با شکستن یک لیوان آنتروپی زیاد می شود؟ چه ارتباطی میان احتمالات و خاصیت کشسانی وجود دارد؟ آیا در سیاهچاله ها آنتروپی کاهش می یابد؟ در حرکت براونی چطور؟

bigbangpage.com

بی‌نظمی + بی‌نظمی = بی‌نظمی بیشتر؟

بی‌نظمی + بی‌نظمی = بی‌نظمی بیشتر؟

گروهی از محققان به تازگی دریافتند که برخلاف تصورِ موجود، افزودن بی‌نظمی‌ها به یکدیگر می‌تواند تحت شرایط خاصی نه تنها بی‌نظمی را افزایش نداده، بلکه منجر به حالتِ منظم‌تری نیز شود. این گروه، دو نوع بی‌نظمی ساختاری و حرارتی را در سیال‌های کولنی مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که در موارد خاصی این بی‌نظمی‌ها می‌توانند در تقابل با یکدیگر رفتار کنند.

آشوب لزوما چیز بدی برای ما نیست صورتی که بدانیم چطور می‌توان با اعمال بی‌نظمی دقیق و مشخصی، سیستم منظم‌تری داشته باشیم.

اگر لباس‌های تلنبار شده داخل‌ کمدتان را با لبا‌س‌های چرکِ کف اتاق‌ در هم بریزید، مسلما اتاق‌تان شلوغ‌تر خواهد شد. هرچند این اصل همیشه برای اتاق‌ خواب‌‌مان درست است، اما در موارد خاصی مخلوط‌کردن بی‌نظمی‌ها می‌تواند به کاهش بی‌نظمی منجر شود. به تازگی یک تیم بین‌المللی از اسلونی و ایران مجموعه شرایطی را معرفی کرده‌اند که در آن با افزودن یک بی‌نظمی به سیستم، سیستم منظم‌تری شکل خواهد گرفت. این رفتار که غیردرهم‌روی (antifragility) نام دارد، مفهوم جدیدی است که برای توصیف پدیده‌های مشابه در آمار، اقتصاد و علوم اجتماعی معرفی شده است.

این محققان در مقاله‌ای که در تاریخ ۴ نوامبر در مجله The Journal of Chemical Physics منتشر شد، فعل و انفعالات غیر معمولی را بین دو نوع مختلف از بی‌نظمی بررسی کردند: یکی بی‌نظمی ترمودینامیکی، یا آنتروپی. دیگری بی‌نظمی ساختاری- یعنی نقص‌های ایجاد شده در یک سیستم ایده‌آل که می‌تواند خواص آن سیستم را تغییر دهد.

علی ناجی، سرپرست این گروه از محققان و عضو مرکز دانش‌های بنیادی در تهران می‌گوید «انتظار می‌رود که اضافه‌شدن انواع مختلف بی‌نظمی‌ها به یکدیگر در نهایت منجر به حالت بی‌نظم‌تری شود». او همچنین می‌افزاید:.«اما ما به طور غافلگیرکننده‌ای دریافتیم که بی‌نظمی ساختاری در برخی موارد می‌تواند در تقابل با بی‌نظمی حرارتی قرار بگیرد و سیستم را در حالت کلی منظم‌تر کند.»

استثنایی که این محققان معرفی کردند شامل برهم‌کنش بین بی‌نظمی ساختاری سطوح باردار و بی‌نظمی حرارتی در سیالات کولنی است. منظور از سیالات کولنی مجموعه‌ای از ذارت بادار متحرک، شامل یون‌ها یا مولکول‌هاست، که با یکدیگر در تعامل هستند.

آن‌ها دو نوع مختلف از سطوح باردار را با یکدیگر مقایسه کردند. در نوع منظم، ذرات باردار به صورت برابر در سطح توزیع شدند. در نوع بی‌نظم، بارهای مثبت و منفی به صورت تصادفی در سطح گسترده شدند، به صورتی که هر یون مکان اولیه خود را حفظ کند. این نوع بی‌نظمی «بی‌نظمی دفع‌شده» یا “quenched disorder” نام دارد.

این محققان زمانی که هر یک از این سطوح را در تعامل با یک سیال کولنی قرار دادند دریافتند که یون‌های موجود در سیال کولنی بیشتر جذب سطح بی‌نظم خواهد شد تا سطح منظم. آنها با محاسبه آنتروپی هر دو سیستم دریافتند که آنتروپی سیستمی که به طور تصادفی باردار شده خیلی کمتر از آنتروپی سیسمتی است که به طور یکنواخت باردار شده است- علاوه بر بی‌نظمی ساختاری که با اثرات بی‌نظمی حرارتی در سیال کولنی مقاومت می‌کند.

علی ناجی در ادامه می‌گوید «این پدیده تنها برای موارد مشخص و تحت شرایط خاصی صادق است.» او همچنین می‌گوید «ما دریافتیم که بارهای بی‌نظم شده در سیال کولنی برای بروز این رفتار مجبورند با شدت بیشتری با بارهای متحرک تعامل داشته باشند.» با این وجود، این محققان در نهایت امیدوارند این سیستم‌ها را در حوزه‌های مستقیم‌تری در زندگی‌ به کار بگیرند.

psi.ir

انرژی و آنتروپی

انرژی و آنتروپی

چه چیزی باعث می شود رویدادها اتفاق بیفتند یا اتفاق نیفتند؟ مثلا آب در سرازیری جریان می یابد، اما سر بالایی نمی رود. قند و شکر در قهوه حل می شوند، مثل اینکه وقتی شکر مدت زیادی در قهوه بماند دیگر نمی توان آن را برگرداند. چرا نمی توان از سوختن چوب کبریت پس از شعله ور شدن جلوگیری کرد. آیا قانون و قاعده ای کیهانی وجود دارد که تعیین کند چه اتفاقی می تواند بیفتد و کدام نمی تواند؟

این پرسش یکی از ژرف ترین پرسش ها در تمام حوزه ی علم می باشد. با این وجود، تا اواخر قرن نوزدهم که نابغه ای به نام جوسایا ویلارد گیبس ان را به تمامی حل و فصل کرد، پاسخ درستی به این پرسش داده نشده بود. پاسخ این پرسش از این قرار است که در هر جای طبیعت بین دو کمیت بنیادی توازن برقرار است: انرژی و آنتروپی. تنها همین توازن است که تعیین می کند آیا اتفاقی رخ می دهد یا خیر.

برخی رویدادهای فیزیکی می توانند تک و تنها اتفاق افتند، اما نمی توانند در جهت مخالف رخ دهند مگر این که از خارج کمکی دریافت کنند. مثلا می توانیم از طریق وسیله ای، آب را به بلندی برسانیم و اگر واقعا بخواهیم، می توانیم از طریق تبخیر کردن آب و سپس جداسازی شیمیایی شکل های جامد شکر و قهوه، شکر را دوباره به دست آوریم. سوزاندن چوب کبریت دشوارتر است، اما وقت و ابزارکافی و لشکری از شیمیدانان میخواهد که احتمالا بتوانند چوب کبریت را از خاکستر، دود و انواع گاز بازسازی کرد. نکته این است که در هر یک از این موارد مقدار زیادی دخالت-ورود انرژی از خارج-لازم است. در طبیعت بسیاری اتفاقات را مجاز می داریم که خود به خود و به تنهایی رخ دهند، اما اتفاقات دیگری هم هستند که هرگز خود به خود پیش نمی آیند، حتی اگر بدون مداخله تا ابد منتظر بمانیم. ماحصل و نتیجه گیری عظیم طبیعت از این قرار است که اگر توازن بین انرژی و آنتروپی به درستی برقرار باشد، آن اتفاق خواهد افتاد؛ اگر این توازن برقرار نباشد، آن اتفاق هم نمی افتد.

به طور کلی همه چیز در صورت توانایی تلاش می کند انرژی اش را کاهش دهد. در آبشار، آب از طریق فرو ریختن یک آبگیر خود را از انرژی گرانشی انباشته اش خلاص می کند، اما همین که آب به داخل آبگیر پای آبشار ریخت، دیگر آن انرژی نمی تواند آن را به بالای آبشار و نقطه ی آغاز ریزش آب برگرداند. تعداد زیادی واکنش شیمیایی فقط به یک دلیل مشابه اتفاق خواهند افتاد: موادشیمیایی از دست انرژی شیمیایی انباشته در خود به طور خود به خود را رها می کنند تا به مواد شیمیایی دیگری تبدیل شوند که انرژی شیمیایی کمتری دارند. اما این مواد نمی توانند به تنهایی به شرایط انرژی اولیه شان برگردند. به این ترتیب اگر همه شرایط دیگر بدون تغییر بمانند، گرایش طبیعت از این قرار است که هر چیزی در صورت توانایی انرژی خود را کم تر می کند: این قانون طبیعت است.

اما کاهش انرژی فقط نیمی از ماجرای عواملی است که رویدادها از آنها ناشی می شوند. نیمه ی دیگر افزایش آنتروپی است. آنتروپی یعنی بی نظمی، یا اتفاق، یعنی آرایش آشوبناک و بی نظم حوادث و چیزهاست. اتم ها و مولکول ها در هر لحظه ی مشخص، ممکن است یا در آرایشی منظم باشند یا به صورتی نامنظم به هر سو بجهند، یا هر آرایش دیگری را مابین این دو حالت به خود بگیرند، یعنی می توانند مقادیر گوناگونی آنتروپی از کم تا زیاد داشته باشند. هرگاه همه عوامل دیگر(یعنی انرژی) مساوی باشند، گرایش طبیعت از این قرار است که همه چیز میل دارد هر چه بی نظم تر شود-یعنی، هر چیزی در صورت توانایی آنتروپی اش را افزایش می دهد؛ به بیان دیگر، مادامی که افزایشی بیشتر از آن که جبران شود در آنتروپی پیش بیاید افزایشی غیر طبیعی در انرژی می تواند رخ دهد.

پس این پرسش که آیا یک رخداد می تواند خود به خود در طبیعت روی دهد یا خیر- بدون هیچ دخالتی از خارج- صرفا برمیگردد به مسئله ی توازن بین قوانین انرژی و آنتروپی. درمورد آبشار؟ این اتفاق(فروریختن آب) به این علت می افتد که افت پردامنه ای درانرژی(گرانشی) پیش می آید، عملا هیچ اختلاف انرژی بین مولکول های آب در بالاترین نقطه و پایین ترین نقطه ی آبشار وجود ندارند. یک فرایند انتقال انرژی رخ می دهند. درباره شکر در قهوه موضوع از چه قرار است؟ شکر عمدتا به این علت حل می شود که افزایش آنتروپی بسیار زیادی اتفاق می افتد؛ مولکول های شناور شکر در قهوه بسیار بی نظم تر از وقتی اند که به صورت بلورهای دانه ی شکر به هم پیوند خورده بودند. در این میان ،عملا اختلاف انرژی بین شکر جامد و شکر محلول وجود ندارد. این هم فرایند انتقال انتروپی است.

ماجرای سوختن چوب کبریت چیست؟ آشکار است که افزایش زیادی در انرژی می افتد که یک انتقال ناگهانی انرژی است. انرژی شیمیایی ذخیره شده در سرچوب کبریت به صورت یک جهش یا انفجار گرمایی رها می شود و نور می تاباند. اما افزایش عظیمی در آنتروپی هم اتفاق می افتد، زبانه کشیدن شعله، دود و گازها خیلی بی نظم تر از گوگرد فشرده ی چوب کبریت است. از این رو که هم با انرژی و هم با انتروپی به راه می افتد و برانگیخته می شود. چه می شود اگر فرایندی پیش بیاید که یکی از این کمیت ها یعنی انرژی یا آنتروپی راه اشتباهی را طی کنند؟ اگر کمیت دیگر باقدرت کافی راه درست را پیماید که بر ان که در راه خطا پیش می رود غلبه یابد، باز هم این فرایند می تواند اتفاق افتد. یعنی انرژی تاوقتی می تواند افزایش یابد که افزایش آنتروپی چندان شود که آن توازن را برهم بزند، و آنتروپی می تواند تا وقتی کاهش یابد که انرژی تا حد زیادی که توازن را برهم بزند، افزایش یابد.

کاری که ویلیارد گیبس کرد این بود که برای این تعادل و توازن انرژی-آنتروپی معادله ای را تدوین کرد. اگر معادله گیبس نشان دهد که پس از برهم کنش هرگونه تغییرات آنتروپی خطایی هنوز هم مقداری انرژی باقی مانده است، آن انرژی می تواند برای راه انداختن رویدادهایی مصرف شود و فرایند مورد نظر خود به خود اتفاق خواهد افتاد. از سوی دیگر، اگر مقدار انرژی قابل دسترس برای بر هم کنش و تغییرات آنتروپی خطا ناکافی باشد، فرایند رخ نمی دهد و نمی تواند رخ دهد مگر این که مقداری انرژی اضافی از خارج کسب کند. در این صورت با اضافه کردن انرژی کافی همواره می توانیم بر این قانون آنتروپی طبیعت غلبه کنیم که بنا بر آن همه چیز به سوی بی نظمی میل و گرایش دارد. اگر انرژی کافی داشته باشیم می توانیم جهان آشوبناک را به نظم در آوریم.

سایت علمی بیگ بنگ و هوپا

انرژی گرمایی زمین

انرژی گرمایی زمین

از زمانی که زمین بوجود آمده، انرژی گرمایی هم در آن وجود داشته است. معادل لاتین انرژی گرمایی “ژئوترمال انرژی”((Geothermal Energy )) است که ازدو جزء “ژئو” به معنی زمین و “ترمال” که معنی حرارت را در دل خود دارد تشکیل شده است.

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد

آیا تابه حال پیش آمده که تخم مرخ پخته ای را به دو جزء تقسیم کنید؟

درون تخم مرغ بسیار به آن چه که در درون زمین می بینیم، شبیه است. زرده بسیار شبیه هسته ی زمین است و سفیده ی آن را می توان به جای جبه در نظر گرفت و پوسته بسیار نازک سفید رنگی که تخم مرغ را احاطه کرده و در صورتی که تخم مرغ را پوست بکنیم قابل مشاهده است، همان پوسته زمین خواهد بود.

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد درست زیر پوسته زمین و بالای جبه، لایه مذابی از صخره های مذاب معدنی است که “ماگما” نامیده می شوند و پوسته زمین روی این لایه “ماگما” شناور است. اما هنگامی که ماگما از طریق آتشفشان ها از پوسته زمین عبور کرده و به سطح می آید آن را گدازه آتشفشانی می نامیم.

به ازاء هر ۱۰۰ متری که ما به هسته ی زمین نزدیک می شویم،دمای زمین در حدود ۳ درجه سلسیوس بالا می رود. به بیان دیگر به ازاء هر ۳۲۸ فوتی که به عمق زمین می رویم، دما ۵٫۴ درجه فارنهایت زیاد می شود. در نتیجه اگر ما حدود ۱۰۰۰۰ فوت به عمق زمین نزدیک شویم، دما برای جوشاندن آب کافی به نظر خواهد رسید.

در عمق های بسیار زیاد، گاهی آب در تماس با صخره های داغ تبدیل به آب در حال جوش یا بخار آب می شود. این آب داغ می تواند به دمایی بیش از ۳۰۰ درجه فارنهایت (۱۴۸ درجه سلسیوس) هم برسد. این دما از دمای آب جوش بسیار بالاتر است (۲۱۲ درجه فارنهایت یا ۱۰۰ درجه سانتی گراد) ولی این آب ابداً به بخار تبدیل نمی شود چراکه امکان تماس با هوا را ندارد.

وقتی که این آب جوش از طریق شکاف های زمین به سطح می آید، ما آن را چشمه آب گرم می نامیم. مانند تصویر چشمه آب گرمی که در پارک ملی “یلو استون” در تصویر سمت چپ آمده است.

گاهی هم بصورت بخار گرم به هوا می رود. مانند تصویر آب فشانی که در تصویر زیر قابل مشاهده است.

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد در حدود ۱۰۰۰۰ سال پیش، سرخ پوست های شمال آمریکا از چشمه های آب گرم برای پخت و پز استفاده می کرده اند. بسیاری از قبایل جنگجو هنگام حمام کردن در کنار این چشمه ها در صلح کامل کنار هم زندگی می کرده اند. هرکدام از چشمه های آب گرم بزرگ آمریکا به یکی از قبایل اصلی آن کشور مربوط بوده است. چشمه های گرم کالیفرنیا و آبفشان های” ناپا” که برای قبایلی که در آن منطقه می زیسته اند از اماکن مهم و مقدس به شمار می رفته اند.

در منطق دیگری هم در گوشه و کنار جهان، مردم ازچشمه های آب گرم برای آرامش و استراحت استفاده می کنند. در رم باستان مکان هایی برای لذت بردن از حمام آب گرم در کنار این چشمه ها ساخته شده بود و ژاپنی ها هم قرن ها از این چشمه ها چنین استفاده ای می کرده اند.

انرژی گرمایی امروزٍ زمین

مردم امروزه از آب گرم طبیعی در استخرها و برای مقاصد درمانی استفاده می نمایند. گاهی آب گرم می تواند برای گرم نگه داشتن ساختمان به منظور ایجاد فضای مناسب برای برخی گیاهان خاص استفاده شود. مانند خانه سبز که تصویرش را در مقابل می بینید.

در “سان برناردیو” در جنوب کالیفرنیا از آب گرم برای گرم نگه داشتن ساختمان ها در فصل زمستان استفاده می شود.

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد آب گرم چندین مایل در لوله های عایق حمل می شود تا به ساختمان های شهر می رسد. مرکز شهر، جان پناه حیوانات، مرکز سالمندان، بنگاه های مسکن، هتل و مراکز تهویه به این شیوه گرم نگه داشته می شوند.

در کشور ایسلند، بسیاری از ساختمان ها و حتی استخرهای شنا در پایتخت و جاهای دیگر از آب گرم شده توسط انرژی درونی زمین استفاده می کنند. این کشور حداقل ۲۵ آتشفشان و تعداد زیادی آبفشان و چشمه آب گرم را در دل خود جای داده است.
 

الکتریسیته وابسته به حرارت مرکزی زمین

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد از آب گرم و بخار آب درون زمین با استفاده از تأسیساتی می توان در تولید الکتریسیته استفاده کرد.

به عنوان مثال در کالیفرنیای آمریکا، ۱۴ منطقه وجود دارد که در آن از انرژی گرمایی زمین برای تولید الکتریسیته استفاده می کنند. نقاط قرمز نشان داده شده روی این نقشه نقاط حاوی انرژی گرمایی هستند. بعضی از این نقاط به دلیل کوچک بودن، دور بودن یا کافی نبودن دمای آبٍ منابع شان هنوز مورد بهره برداری قرار نگرفته اند.

منابع اصلی عبارتند از:

? مناطق آبفشانی در شمال سانفرانسیسکو.

? در شمال غرب ایالت کنار آتشفشان لاسن در پارک ملی.

? در محوطه دریاچه ماموت، مجاور آتشفشان بزرگ قدیمی.

? چشمه های آب گرم کوزو در اینیوکانتری.

? دره بزرگ جنوب.

بعضی از این مناطق به قدری آب گرم و بخار آب دارند که می توان از آن در تولید الکتریسیته استفاده کرد. حفره هایی درون زمین ایجاد می شوند و لوله های عایقی آب گرم را به سطح زمین می آورند.

شما می توانید لوله هایی که برای این منظور مقابل یک مرکز انرژی گرمایی زمین هستند را در شکل ببینید. این مرکز آبفشانی که در مطلب (انرژی برای حمل و نقل )، از آن صحبت خواهیم کرد، در مرکز آبفشانی کالیفرنیا قرار دارد.

سریع ترین توفان کیهانی اندازه گیری شد نیروگاه های انرژی گرمایی مشابه هر نیروگاه دیگری عمل می کنند، با این تفاوت که در آن ها از سوخت برای تبدیل آب به بخار استفاده نمی شود. گرم شدن آب توسط زمین انجام می شود و وارد توربین های خاصی می شود. پره های توربین می چرخند و محور توربین به موتور برقی متصل شده است که برای تولید الکتریسیته از آن استفاده می شود. پس از آن بخار در برج سرمایش مجدداً  به آب سرد تبدیل می شود.

“دودی” که در تصویر سمت راست از کارخانه خارج می شود در واقع دود نیست. بخار آبی است که در مرحله سرمایش تولید می شود. این آب سرد را می توان مجدداً درون زمین پمپ کرد تا دوباره گرم شود.

آب داغ به توربین وارد و از آن خارج می شود و باعث چرخش مولد می شود و الکتریسیته توسط این ژنراتورها تولید می شود و از طریق کابل های برق به خانه، مدرسه و … منتقل می شود.

نیروگاه گرمایی در کالیفرنیای آمریکا، تقریباً نیمی از الکتریسیته ای را که از انرژی گرمایی زمین به دست می آید، به تنهایی تولید می کند. این نیروگاه انرژی لازم را برای ۲ میلیون خانه تأمین می نماید.

پمپ های انرژی گرماییٍ منابع گرمایی زمین

از آن جایی که هرچه به سمت عمق زمین می رویم، دما افزایش می یابد، لایه های رویی زمین نباید چندان گرم باشند.

تقریباً همه جا روی سیاره ی ما، ۱۰ فوت اولیه را که به عمق زمین نزدیک می شویم دما بین ۵۰ تا ۶۰ درجه فارنهایت (۱۰ تا ۱۵ درجه سانتی گراد) ثابت باقی می ماند. اگر شما به زیر زمین خانه یا غار مانندی بروید، می بینید که هوا در این ناحیه تقریباً همیشه خنک است.

انرژی گرمایی زمین یا منابع گرمایی پمپ شونده توسط سیستم می توانند از این دمای ثابت برای گرمایش یا سرمایش ساختمان استفاده نمایند. درون لوله هایی به این منظور از ماده ای ضد یخ ( شبیه آنچه در رادیاتور اتوموبیل به کار می رود) می چرخد.

در زمستان، گرما از زمینی که گرم تر است، به لوله ها رسیده و از طریق پمپ ها هوای خانه ها یا محل کارمان گرم می شود. هنگامی هم که  هوا گرم است، این فرآیند بطور معکوس انجام می شود و گرمای هوا از طریق لوله های انتقال دهنده به زمین، که گرمای کم تری دارد، منتقل می شود. از گرمای انتقال داده شده در تابستان می توان برای گرم کردن آب نیز استفاده کرد.

به نقل از تبیان و هوپا

نظریه جنبشی گازها

نظریه جنبشی گازها

قوانین مکانیک را می‌توان بطور آماری در دو سطح مختلف به مجموعه‌ای از اتمها اعمال کرد در سطحی که نظریه جنبشی گازها نامیده می‌شود. به طریقی کم و بیش فیزیکی و با استفاده از روشهای نسبتا ساده میانگین گیری ریاضی ، عمل می‌کنیم. برای فهم نظریه جنبشی گازها را در فشار ، دما ، گرمای ویژه و انرژی داخلی این روش را که در سطح بکار برده می‌شود.

نظریه جنبشی گازها
علم فیزیک – نظریه جنبشی گازها

نگاه اجمالی نظریه جنبشی گازها
در ترمودینامیک فقط با متغیرهای ماکروسکوپیک ، مانند فشار و دما و حجم سر و کار داریم. قوانین اصلی ترمودینامیک‌ها بر حسب چنین کمیتهایی بیان می‌شوند. ابدا درباره این امر که ماده از اتمها ساخته شده است صحبتی نمی‌کنند. لیکن مکانیک آماری ، که با همان حیطه‌ای از علم سر و کار دارد که ترمودینامیک از آن بحث می‌کند و وجود اتمها را از پیش مفروض می‌داند. قوانین اصلی مکانیک آماری حامی قوانین مکانیک‌اند که در حدود اتمهای تشکیل دهنده سیسنم بکار می‌روند.

تاریخچه نظریه جنبشی گازها
نظریه جنبشی توسط رابرت بویل (Rabert Boyle) (1627 – ۱۶۹۱) ، دانیل بونولی (۱۷۰۰ – ۱۷۸۲) ، جیمز ژول (۱۸۱۸ – ۱۸۸۹) ، کرونیگ (۱۸۲۲ – ۱۸۷۴) ، رودولف کلاوسیوس (۱۸۲۲ – ۱۸۸۸) و کلرک ماکسول ( ۱۸۳۱ – ۱۸۷۹ ) و عده‌ای دیگر تکوین یافته است. در اینجا نظریه جنبشی گازها را فقط در مورد گازها بکار می‌بریم، زیرا برهم کنش‌های بین اتمها ، در گازها به مراتب متغیرترند تا در مایعات. و این امر مشکلات ریاضی را خیلی آسانتر می‌کند.

در سطح دیگر می‌توان قوانین مکانیک را بطور آماری و با استفاده از روشهایی که صوری‌تر و انتزاعی‌تر از روشهای نظریه جنبشی هستند بکار برد. این رهیافت که توسط جی ویلارد گیبس (J.willard Gibbs) و لودویگ بولتز مانی (Ludwig Boltz manni) (1844 – ۱۹۰۶) و دیگران تکامل یافته است، مکانیک آماری نامیده می‌شود، که نظریه جنبشی را به عنوان یکی از شاخه‌های فرعی در بر می‌گیرد. با استفاده از این روشها می‌توان قوانین ترمودینامیک را به دست آورد. بدین ترتیب معلوم می‌شود که ترمودینامیک شاخه‌ای از علم مکانیک است.

محاسبه فشار بر پایه نظریه جنبشی گازها
فشار یک گاز ایده‌آل را با استفاده از نظریه جنبشی محاسبه می‌کنند. برای ساده کردن مطلب ، گازی را در یک ظرف مکعب شکل با دیواره‌های کاملا کشسان در نظر می‌گیریم. فرض می‌کنیم طول هر ضلع مکعب L باشد. سطحهای عمود بر محور X را که مساحت هر کدام e2 است. A1 و A2 می‌نامیم. مولکولی را در نظر می‌گیریم که دارای سرعت V باشد. سرعت V را می‌توان در راستای یالهای مولفه‌های Vx و Vy و Vz تجزیه کرد. اگر این ذره با A1 برخورد کند در بازگشت مولفه X سرعت آن معکوس می شود. این برخورد اثری رو ی مولفه Vy و یا Vy ندارد در نتیجه متغیر اندازه حرکت عبارت خواهد بود :

(m Vx – m Vx) = 2 m Vx – )= اندازه حرکت اولیه – اندازه حرکت نهایی

که بر A1 عمود است. بنابراین اندازه حرکتی e به A1 داده می‌شود برابر با m Vx2 خواهد بود زیرا اندازه حرکت کل پایسته است.

زمان لازم برای طی کردن مکعب برابر خواهد بود با Vx/L. در A2 دوباره مولفه y سرعت معکوس می‌شود و ذره به طرف A1 باز می‌گردد. با این فرض که در این میان برخوردی صورت نمی‌گیرد مدت رفت و برگشت برابر با ۲ e Vx خواهد بود. به طوری که آهنگ انتقال اندازه حرکت از ذره به A1 عبارت است: mVx2/e = Vx/2e . 2 mVx ، برای به دست آوردن نیروی کل وارد بر سطح A1 ، یعنی آهنگ انتقال اندازه حرکتی از طرف تمام مولکولهای گاز به A1 داده می‌شود.

(P = M/e(Vx12 + Vx22 + Vx32

P = 1/2eV2

تعبیر دما از دیدگاه نظریه جنبشی گازها
با توجه به فرمول RT 2/3 = 1/2 MV2 یعنی انرژی کل انتقال هر مول از مولکولهای یک گاز ایده‌آل ، با دما متناسب است. می‌توان گفت که این نتیجه با توجه به معادله بالا برای جور در آمدن نظریه جنبشی با معادله حالت یک گاز ایده‌آل لازم است. و یا اینکه می‌توان معادله بالا را به عنوان تعریفی از دما بر پایه نظریه جنبشی یا بر مبنای میکروسکوبیک در نظر گرفت. هر دو مورد بینشی از مفهوم دمای گاز به ما می‌دهد. دمای یک گاز مربوط است به انرژی جنبشی انتقال کل نسبت به مرکز جرم گاز اندازه گیری می‌شود. انرژی جنبشی مربوط به حرکت مرکز جرم گاز ربطی به دمای گاز ندارد.

حرکت کاتوره‌ای را به عنوان بخشی از تعریف آماری یک گاز ایده‌آل در نظر گرفت. V2 را بر این اساس می‌توان محاسبه کرد. در یک توزیع کاتوره‌ای سرعتهای مولکولی ، مرکز جرم در حال سکون خواهد بود. بنابراین ما باید چارچوب مرجعی را بکار ببریم که در آن مرکز جرم گاز در حال سکون باشد. در چارچوبهای دیگر ، سرعت هر یک از مولکولها به اندازه U (سرعت مرکز جرم در آن چارچوب) از سرعت آنها در چارچوب مرکز جرم بیشتر است. در اینصورت حرکتها دیگر کتره‌ای نخواهد بود و برای V2 مقادیر متفاوتی بدست می‌آید. پس دمای گاز داخل یک ظرف در یک قطار متحرک افزایش می‌یابد. می‌دانیم که M V2 1/2 میانگین انرژی جنبشی انتقالی هر مولکول است. این کمیت در یک دمای معین که در این مورد صفر درجه سلسیوس است، برای همه گازها مقدار تقریبا یکسانی دارد. پس نتیجه می‌گیریم که در دمای T ، نسبت جذر میانگین مربعی سرعتهای مولکولهای دو گاز مختلف مساوی است با ریشه دمای عکس نسبت به مربعهای آنها.

T=2/3k m1 V12/2= 2/3k m2 V22/2

مسافت آزاد میانگین
در فاصله برخوردهای پی‌درپی ، هر مولکول از گاز با سرعت ثابتی در طول یک خط راست حرکت می‌کند. فاصله متوسط بین این برخوردهای پی‌درپی را مسافت آزاد میانگین می‌نامند. اگر مولکولها به شکل نقطه بودند، اصلا با هم برخورد نمی‌کردند. و مسافت آزاد میانگین بینهایت می‌شد. اما مولکولها نقطه‌ای نیستند و بدین جهت برخوردهایی روی می‌دهد. اگر تعداد مولکولها آنقدر زیاد بود که می‌توانستند فضایی را که در اختیار دارند کاملا پر کنند و دیگر جایی برای حرکت انتقالی آنها باقی نمی‌ماند. آن وقت مسافت آزاد میانگین صفر می‌شد. بنابراین مسافت آزاد میانگین بستگی دارد به اندازه مولکولها و تعداد واحد آنها در واحد حجم. و به قطر d و مولکولهای گاز به صورت کروی هستند در این صورت مقطع برای برخورد برابر با лd2 خواهد بود.

مولکولی با قطر ۲d را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در داخل گازی از ذرات نقطه‌ای هم ارز حرکت می‌کند. این مولکول در مدت t استوانه‌ای با سطح مقطع лd2 و طول Vt را می‌روبد. اگر nv تعداد مولکولها در واحد حجم باشد استوانه شامل (лd2 Vt ) nv ذره خواهد بود. مسافت آزاد میانگین ، L ، فاصله متوسط بین دو برخورد پی‌درپی است بنابراین ، L ، عبارت است از کل مسافتی که مولکول در مدت t می‌پیماید. (Vt) تقسیم بر تعداد برخوردهایی که در این مدت انجام می‌دهد. یعنی

I = Vt/πd2nv =1/√۲πnd2

I=1/√۲πnd2

این میانگین بر مبنای تصویری است که در آن یک مولکول با هدفهای ساکن برخورد می‌کند. در واقع ، برخوردهای مولکول با هدف دمای متحرک انجام می‌گیرد در نتیجه تعداد برخورد دما از این مقدار بیشتر است.

توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به سرعت جذر میانگین مربعی مولکولهای گاز ، اما گستره سرعتهای تک‌تک مولکولها بسیار وسیع است. بطوری که برای هر گازی منحنی‌‌ای از سرعتها مولکولی وجود دارد که به دما وابسته است. اگر سرعتهای تمام مولکولهای یک گاز یکسان باشند این وضعیت نمی‌تواند مدت زیاد دوام بیاورد. زیرا سرعتهای مولکولی به علت برخوردها تغییر خواهند کرد. با وجود این انتظار نداریم که سرعت تعداد زیادی از مولکولها بسیار کمتر از V‌rms (یعنی نزدیک صفر) یا بسیار بیشتر از Vrms ، زیرا وجود چنین سرعتهایی مستلزم آن است که یک رشته برخوردهایی نامحتمل و موجی صورت بگیرد. مسئله محتملترین توزیع سرعتها در مورد تعداد زیادی از مولکولهای یک گاز را ابتدا کلوک ماکسول حل کرد. قانونی که او ارائه کرد در مورد نمونه‌ای از گاز که N مولکول را شامل می‌شد چنین است :

N(V)=4πN(m/2πKt)3/2V2e-mv2/2kt

در این معادله N(V)dV تعداد مولکولهایی است که سرعت بین V و V+3v است، T دمای مطلق ، K ثابت بولتزمن ، m جرم هر مولکول است. تعداد کل مولکولهای گاز (N) را ، با جمع کردن (یعنی انتگرال‌گیری) تعداد موجود در هر بازه دیفرانسیلی سرعت از صفر تا بینهایت به دست می‌آید. واحد (N(V می‌تواند مثلا مولکول برا سانتیمتر بر ثانیه باشد.

N =∫∞۰N(V)dv

توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات
توزیع سرعتهای مولکولی در مایعات شبیه گاز است. اما بعضی از مولکولهای مایع (آنهایی که سریعترند) می‌توانند در دماهایی کاملا پایینتر از نقطه جوش عادی از سطح مایع بگریزند. (یعنی تبخیر شوند). فقط این مولکولها هستند که می‌توانند بر جاذبه مولکولهای سطح فائق آیند. و در اثر تبخیر فرار کنند. بنابراین انرژی جنبشی میانگین مولکولهای باقیمانده نیز کاهش می‌یابد در نتیجه دمای مایع پایین می‌آید. این امر روشن می‌کند که چرا تبخیر فرایند سرمایشی است.

مثال واقعی در مورد توزیع سرعتهای مولکولی
با توجه به فرمول N(V)= Σ۴۱۰N(M/2πkT)3/2 توزیع سرعتهای مولکولی هم به جرم مولکول و هم به دما بستگی دارد هرچه جرم کمتر باشد نسبت مولکولهای سریع در یک دمای معین بیشتر است. بنابراین احتمال اینکه هیدروژن در ارتفاعات زیاد از جو فرار کند بیشتر است، تا اکسیژن و ازت. کره ماه دارای جو رقیقی است. برای آنکه مولکولهای این جو احتمال زیادی برای فرار از کشش گرانشی ضعیف ماه ، حتی در دماهای پایین آنجا نداشته باشند، انتظار می‌رود که این مولکولها یا اتمها متعلق به عناصر سنگینتر باشند. طبق شواهدی ، در این جو گازهای بی اثر سنگین مانند کریپتون و گزنون وجود دارند که براثر واپاشی پرتوزا در تاریخ گذشته ماه تولید شده‌اند. فشار جو ماه در حدود ۱۰ برابر فشار جو زمین است.

توزیع ماکسولی
ماکسول قانون توزیع سرعتهای مولکولی را در سال ۱۸۵۹ میلادی به دست آورد. در آن زمان بررسی این قانون به کمک اندازه گیری مستقیم ممکن نبود و در حقیقت تا سال ۱۹۲۰ که اولین کوشش جدی در این راه توسط اشترن (Stern) به عمل آمد، هیچ اقدامی صورت نگرفته بود. افراد مختلفی تکنیکهای این کار را به سرعت بهبود بخشیدند. تا اینکه در سال ۱۹۵۵ یک بررسی تجربی بسیار دقیق در تائید این قانون (در مورد مولکولهای گاز توسط میلر (Miller) و کاش (Kusch) از دانشگاه کلمبیا صورت گرفت.

اسبابی که این دو نفر بکار بردند در مجموعه‌‌ای از آزمایشها مقداری تالیوم در کوره قرار می‌دادند و دیواره‌های کوره O را تا دمای یکنواخت ۸۰±۴K گرم کردند. در این دما تالیوم بخار می‌شود و با فشار ۳٫۲x10-3 میلیمتر جیوه ، کوره را پر می‌کند. بعضی از مولکولهای بخار تالیوم از شکاف s به فضای کاملا تخلیه شده خارج کوره فرار می‌کند و روی استوانه چرخان R می‌افتند در این صورت استوانه که طولش L است تعدادی شیار به صورت مورب تعبیه شده که فقط یکی از آنها را می‌توان دید. به ازای یک سرعت زاویه‌ای معین استوانه (W) فقط مولکولهایی که دارای سرعت کاملا مشخص V هستند می‌توانند بدون برخورد با دیواره‌ها از شیارها عبور کنند. سرعت V را می‌توان از رابطه زیر بدست آورد:

V=LW/q و L/V= φ/W = زمان عبور مولکول از شیار

 φ : تغییر مکان زاویه‌ای بین ورودی و خروجی یک شیار مورب است. استوانه چرخان یک سرعت گزین است، سرعت انتخاب شده با سرعت زاویه‌ای (قابل کنترل) W متناسب است.

نقص توزیع سرعت ماکسولی با نظریه جنبشی
اگرچه توزیع ماکسولی سرعت برای گازها در شرایط عادی سازگاری بسیار خوبی با مشاهدات دارد. ولی در چگالیهای بالا ، که فرضهای اساسی نظریه جنبشی کلاسیک صادق نیستند. این سازگاری نیز به هم می‌خورد. در این شرایط باید از توزیعهای سرعت مبتنی بر اصول مکانیک کوانتومی ، یعنی توزیع فرمی – دیراک (Fermi Dirac) بوز – انیشتین (Bose Einstein) استفاده کرد. این توزیعهای کوانتمی در ناحیه کلاسیک ( چگالی کم ) با توزیع ماکسولی توافق نزدیک دارند و در جایی که توزیع کلاسیک با شکست مواجه می‌شود با نتایج تجربی سازگارند. بنابراین در کاربرد توزیع ماکسولی محدودیتهایی وجود دارد. همانگونه که در واقع برای هر نظریه‌ای چنین است.


نظریه جنبشی گازها ، اخبارفیزیک ، مقالات فیزیک ، مطالب فیزیک ، فیزیک مدرن ، علم فیزیک

منبع: http://www.cloudysky.ir/data/data0121.php

سایه صوت

سایه صوت (OMBRE ACOUSTIQUE)

آیا سایه صوت قابل مشاهده است؟

سایه صوت چه شکلی تشکیل می‌شود ؟

آیا سایه صوت را می‌توان همانند سایه نور تشخیص داد؟

چرا هنگام مکالمه با تلفن هر چند بلند حرف بزنیم باز صدای رسیده به طرف مقابل چندان تغییر نمی‌کند؟

چرا صوت موسیقی که ما در خارج از تالار می‌شنویم، به اندازه صدای داخل تالار برای ما جذاب نیست؟

بین صوت و نور ظاهرا جزئی اختلاف مشاهده می‌شود که لازم است راجع به آن توضیح دهیم. می‌دانیم که صوت و نور هر دو ماهیت موجی دارند و اکثر آنچه را که در مورد امواج نوری مشاهده می‌کنیم ، در مورد فیزیک امواج صوتی نیز قابل مشاهده است.

علل تشکیل سایه صوت

از جمله چیزهایی که وجودش در مورد فیزیک امواج نوری بخوبی قابل روئیت و مشاهده است سایه نور است. در صورتی که در فیزیک امواج صوتی معمولا سایه واضح مشاهده نمی‌شود. علت حقیقی این امر این نیست که امواج صوتی در برخورد با مانع ، تولید سایه نمی‌کنند. زیرا در عمل مانعی که ابعادش به اندازه طول موج صوت بزرگ باشد، در دسترس ما نیست.

پراش نور

بزرگی طول موج نور در حدود اعشار میکرونی می‌باشد. بنابرین ، هر گونه مانعی ولو کوچک هم که باشد ابعادش نسبت به طول موج نور بی‌نهایت بزرگ است. مثلا ابعاد در ، دیوار ، پرده و دسته صندلی ، برگ درختان و غیره هر کدام میلیونها دفعه و بیشتر بزرگتر از طول موج نور می‌باشند و البته وقتی مانع خیلی کوچک و یا باریک شود ، مثلا به کوچکی سوزن و یا به باریکی رشته مویی باشد. دیگر نمی‌تواند برای نور ، سایه خوبی درست کند. و در این حالت پدیده دیفراکسیون حادث می‌گردد و در پشت مانع بطریق خاصی نور مشاهده می‌شود.

دیفراکسیون صوت

طول موج صداهای انسانی در حدود متر است (برای حرف زدن معمولی مردان طول موج از ۲٫۵ -۳ متر و برای حرف زدن معمولی زنها طول موج از ۱٫۲ متر تا ۱٫۵ متر تغییر می‌کند) بنابرین مثلا دیواری که دارای ده متر باشد. نسبت به طول موج چندان بزرگ نیست و نمی‌تواند برای آن حائل خوبی باشد و از این جهت در اثر دیفراکسیون صوت صدای صحبت کننده از پشت آن شنیده می شود.

نمایش سایه صوت

اگر نت صوت خیلی زیر باشد مشاهده سایه آن آسانتر است. و می‌توان در آزمایشگاه با آنها سایه صوت را درست کرد. مثلا ممکن است با سوت گالتن (سوتی است که طول موج آن در حدود دسیمتر و اعشار آن می‌باشد) با بکار بردن مقوایی به ابعاد متر تا اندازه سایه صوت را قابل مشاهده نمود.

می‌دانیم که هر نوع صوتی با مشخصات سه گانه خود یعنی شدت ، ارتفاع ، طنین مشخص می‌گردد. و چون هر گونه صدایی مخلوط از صدای اصلی و هارمونیکهای آن و در نتیجه مخلوطی از صداهایی با ارتفاع مختلف می‌باشد. و لذا وقتی مانع در جلو فیزیک امواج صوتی قرار می‌گیرد ممکن است بعضی از آن صداها زیرترند بکلی متوقف گردند و برای آنها تولید سایه شود و یا بطور ناقص به پشت مانع برسند. بنابراین عمل مانع نسبت به صداهای زیر و بم یکسان نمی‌باشد. نتیجه اینکه ممکن است در خلا ، دیوار مشخصات صوتی که در جلوی آن درست شده است موجود نباشد. و بطور خلاصه صدا در رسیدن به پشت مانع تغییر نماید.

منبع : دانشنامه رشد