1) پاسخ: (الف) پاسخ درست است. اگر شعله را تا آنجا که امکان دارد کم کنید هیچگاه نمی توانید آب را به جوش بیاورید. گرمای شعله به دیگ آب منتقل می شود. قسمتی از این گرما در دیگ باقی می ماند و قسمتی هم به صورت تابش گرمایی، بخار داغ، و هوای داغ از آن دور می شود. در واقع گرمای تلف شده است. هرچه آب دیرتر به جوش بیاید، گرمای بیشتری از دیگ بیشتر منتقل شود انرژی بیشتر تلف شده است.

این گفته در مورد موشکی  که به هوا پرتاب می شود نیز صادق است. موتور موشک باید با تمام نیرو روشن شود تا بتواند در حداقل زمان ممکن حداکثر تکانه ممکن را به موشک بدهد. چرا؟  زیرا موشک نیز، مثل دیگ که پیوسته گرما از دست می داد، بر اثر گرانی ( ثقل ) مدام تکانه از دسست می دهد. اگر موتور با حداقل نیرو روشن شود موشک همه انرژیش را صرف باقی ماندن در هوا می کند و هرگز اوج نمی گیرد. به عبارت دیگر، موشک در همان نزدیکیهای سطح زمین پرسه می زند.

 

 

 

 

2) پاسخ : (ج) پاسخ درست است. وقتی هوای بیرون سرد است ، خانه شما پیوسته گرما از دست می دهد. اگر چنین نبود کافی بود که شما یک بار خانه را گرم کنید تا برای همیشه گرم باقی بماند. بخاری باید تمام گرمای تلف شده را جبران کند . چقدر گرما تلف می شود؟ بستگی دارد به عایق بندی گرمایی خانه و سردی هوای بیرون. هر چه تفاوت دمای داخل و خارج خانه بیشتر باشد آهنگ سرد شدن بیشتر است ( این همان قانون سرد شدن نیوتون است که به صورت " آهنگ سرد شدن متناسب است با ΔT " بیان می شود). هر گاه هنگام ترک خانه بخاری را روشن بگذارید گرمای بیشتری نسبت به حالتی که بخاری را خاموش می کنید تلف می شود. هر چه خانه نسبت به بیرون گرمتر باشد گرما سریعتر تلف می شود. البته اگر اختلاف دما وجود نداشته باشد نه گرما تلف می شود و نه احتیاجی به گرم کردن خانه وجود دارد.

 

 

 

                                                                                                   

 

 

 

می توانیم خانه را مثل یک سطل سوراخ–سوراخ آب در نظر بگیریم که در آن سطح آب داخل سطل مثل میزان دمای داخل خانه است. هر چه سطح آب در داخل سطل بالا باشد فشار در محل سوراخ ها بیشتر است و آب تندتر از آنها خارج می شود. بنابراین، اگر بخواهیم سطح آب همچنان بالا باشد باید مقدار بیشتری آب در داخل سل بریزیم. در صورتی که، اگر سطح آب پایین باشد به این مقدار برای جبران آب از دست رفته نیازی نیست. بنابراین، می بینیم اگر " اگر سطح آب را پایین نگه داریم" مقدار بیشتری آب صرفه جویی کرده ایم. آیا اگر بگذاریم همه آب خارج شود، حتی برای مدت کوتاهی، مقدار بیشتری آب صرفه جویی نکرده ایم؟ با اندکی تفکر معلوم می شود که مقدار آبی که برای پر کردن مجدد سطل لازم است خیلی کمتر از مقدار آبی است که برای ثابت نگهداشتن سطح آب باید در آن ریخته شود. هنگامی که سطل خالی یا تقریباً خالی است، به سرعت پر می شود زیرا مقدار آبی که در آن ریخته می شود از مقدار آبی که از آن خارج می شود بیشتر است. اگر آب ورودی و خروجی با هم برابر باشند سطح آب ثابت می ماند.

 

 

 

 

بنابراین، همان طور که مقدار آب لازم برای دوباره پر کردن سطل از مقدار آبی که برای ثابت نگه داشتن سطل آن لازم است خیلی کمتر است، به همان ترتیب نیز مقدار گرمای لازم برای دوباره گرم کردن خانه از مقدار گرمایی که لازم است تا دمای خانه بیشتر از دمای بیرون باقی بماند خیلی کمتر است.

پس، هنگام خارج شدن از منزل برای صرفه جویی در مصرف برق چراغها (در صورتیکه به آنها نیاز ندارید) و بخاری را خاموش کنید.

 

 

3) پاسخ : (الف) پاسخ درست است. سوراخ هیچ است، اما همین هیچ هم بی برو برگرد منبسط می شود. همه ابعاد حلقه به یک نسبت انبساط می یابد. برای درک این موضوع فرض کنید ابتدا یک عکس از حلقه می گیریم و سپس عکس را یک درصد بزرگ می کنیم. همه جای عکس، حتی سوراخ، به همین نسبت بزرگ می شود.

به طریق دیگر هم می توانیم این موضوع را توضیح بدهیم. حلقه را باز کنید و آن را به صورت یک میله درآورید. اگر میله را گرم کنید ضخیمتر و همچنین بلند تر می شود. اگر پس از گرم شدن، میله را دوباره به صورت حلقه در آورید می بینید که هم محیط داخلی و هم ضخامت آن بزرگتر شده است.

 

 

 

 

 

اگر یک سوراخ مربعی را در یک قطعه فلز به شکل مربع در نظر بگیریم به راحتی معلوم می شود که این سوراخ بر اثر انبساط بزرگتر می شود. قطعه فلز را ابتدا، مطابق شکل، به چند مربع تقسیم و آنها را گرم کنید. پس از انبساط دوباره مربع ها را به هم بچسبانید معلوم می شود که سوراخ خالی نیز متناسب با بقیه اجزای مربع منبسط شده است.

 

 

 

4) پاسخ: (ب) پاسخ درست است. علت اصلی ناراحتی در مناطق گرمسیری رطوبت است. هنگامی که عرق پوست بدن تبخیر می شود گرما را با خود می برد و بدن خشک می شود. اما اگر هوا خیلی مرطوب باشد مقدار بخار آب خیلی زیاد است و دیگر بخار آبی قبول نمی کند. بنابراین، عرق بدن تبخیر نمی شود. مقدار آبی که یک متر مربع هوا می تواند در خود نگه دارد به دمای آن وابسته  است. هر چه هوا داغتر باشد بخار آب بیشتری را در خود نگه می دارد. هنگام غروب آفتاب هوا خنک می شود و توانایی آن برای گرفتن بخار آب بیشتر کاهش می یابد. بنابراین ، هنگام غروب آفتاب برای تبخیر عرق و خنک– شدن بدن وقت مناسبی نیست. هر چه هوا بیشتر سرد شود بخار آب بیشتر چگالیده و شبنم در محیط اطراف تشکیل می شود.

 

 

فردا صبح بعد از طلوع آفتاب هوا گرم می شود و دوباره می تواند مقدار بخار بیشتری را در خود نگه دارد. شبنم ها دوباره تبخیر می شوند، و هوای صبح، هم شبنم و هم عرق بدن شما را به خود جذب می کند. به همین دلیل شما احساس خنکی می کنید. اما این احساس چندان دوام نمی آورد و دوباره هوا گرم و مرطرب می شود.

 

چرا تبخیر احساس خنکی ایجاد می کند؟ زیرا مولکولهای مایع سرعتهای مختلفی دارند. به عنوان مثال، دمای همه مولکولهای آب 20 درجه دقیقاً 20 درجه نیست. دمای بعضی 30 درجه برخی 20، و برخی 10 است. 20 درجه دمای متوسط آنهاست. کدام مولکولها زودتر تبخیر می شوند؟ معلوم است مولکولهای داغ یا تند، مثل مولکولهایی که دمای آنها 30 درجه است. با بتخیر این مولکولها "دمای متوسط" کم می شود و به 15 درجه می رسد (بسته به تعداد نسبی مولکولهای با دمای متفاوت). بنابراین، وقتی مولکولهای تند یا داغ مایع را ترک می کنند، دمای متوسط بقیه مولکولها پایین می آید.

ضمناً موی سر شما باعث می شود که عرق روس سرتان بماند. اگر سر مو نداشت عرق روی آن جاری می شد و آن را خنک نمی کرد، زیرا لازمه این کار این است که عرق تبخیر شود. کامپیوتر بدن شما درون کاسه سرتان جای دارد و باید مواظب باشید که بیش از حد داغ نشود. آیا تا حالا توجه کرده اید که هنگام تب کردن قدرت تفکر و تمرکز حواس کم می شود؟ ضرورت وجود مو در هر کجای بدن همین مسئله خنک کردن است. مو مثل فتیله یا پارچه خنک کننده عمل می کند: آنقدر عرق را نگه می دارد تا تبخیر شود.

 

 

 

5) پاسخ: (د) پاسخ درست است. در ارتفاع زیاد آب در دمای کمتر (مثلاً، در ارتفاع 3000 متری در C 90) به جوش می آید و بدون اینکه دمای آن به C 100  برسد تمام آن بخار می شود. به همین دلیل است که تخم مرغ در آبی که در کوهستان به جوش می آید به سختی می پزد زیرا آب به اندازه کافی داغ نمی شود. اگر فشار را به اندازه کافی کم کنیم آب در دمای اتاق به جوش می آید. این موضوع را با گذاشتن یک کاسه آب در ظرف تخلیه و تلمبه کردن هوای آن به بیرون به راحتی می توان نمایش داد. از طرف دیگر، اگر فشار به اندازه کافی زیاد باشد آب حتی در دمای بالاتر ازC  100 هم به جوش نمی آید. این همان چیزی است که در دیگهای بخار که درآنها آب فوق گرم به دلیل فشار زیاد به جوش نمی آید اتفاق می افتد. همچنین در زودپزها، و در ته چشمه های آب گرم نیز آب در بالاتر از C 100 به جوش نمی آید.

 

 

 

یخ را تحت فشار، حتی در دماهای پایین تر از دمای C0، می توان ذوب کرد. چطور؟ با گذاشتن یک جسم سنگین مثلا ً یک قطعه سنگ بر روی یخ. چرا یخ تحت فشار زیاد راحت تر ذوب می شود و آب در فشار کم زودتر به جوش می آید؟ یک پاسخ ساده چنین است: حجم یخ هنگام ذوب شدن کم می شود و فشار به این موضوع کمک می کند و حجم آب هنگام جوشیدن زیاد می شود و فشار مانع آن است.

 

6) پاسخ: (ب) پاسخ درست پرسش اول است .فرض کنید یک جعبه مسدود عایق بندی شده دارید و آن را تا دمای ⁰C 500 گرم می کنید. نصف جعبه را با فلزی که سطحش سفید و نصف دیگر را با فلزی که سطح آن سیاه است، بپوشانید. سعی کنید دو فلز با هم تماس نداشته باشند. این دو فقط از طریق تابش می توانند تبادل گرما بکنند. مقداری تابش گرمایی از جعبه سیاه به طرف جعبه و مقداری از سفید به طرف سیاه گسیل می شود. این دو مقدار تابش باید با هم برابر باشند، در غیر این صورت پس از مدتی سطحی که بیشتر تابش کند از سطح دیگر سردتر می شود. به عبارت دیگر، در آن صورت جریان کل انرژی به میل و اراده خود از یک جای سرد به یک جای گرم روان می شود، که از محالات است. اگر این سطح کاملاً سیاه باشد تمام تابش گرمایی را جذب می کند. بنابراین، اگر بنا باشد دمای آن ثابت بماند تقریباً باید همین مقدار گرما را باز بتاباند. در نتیجه، این سطح با همان آهنگی که گرما جذب می کند آن را می تاباند. به عبارت دیگر، یک گرماگیر خوب باید یک گرما ده خوب هم باشد. اما سطح سفید مقدار زیادی از تابش فرودی را باز می تاباند و مقدار کمی از آن را جذب می کند (و به نوبه خود مقدار کمی هم تابش می کند). یک بازتابگر خوب یک تابشگر ضعیف است. شارش تابش میان سطوح سفید و سیاه برابر است زیرا بازتاب زیاد از سطح سفید با تابش کم آن جبران می شود.

نتبجه می گیریم که فلز سیاه با دمای ⁰C 500 بیشتر از فلز سفید در همین دما تابش می کند. به همین دلیل است که تابشگرهای خوب را زنگ سیاه می زنند.

اگر در این حالت وضع سطح سفید را تغییر بدهیم دیگر باز تابگر خوبی نخواهد بود، بلکه مقدار بیشتر تابش فرودی را جذب خواهد کرد. اگر به اندازه کافی این سطح را تغییر بدهیم، درست مثل سطح سیاه، بیشتر تابش را جذب و کمتر آن را باز می تاباند. به عبارت دیگر، سطح سفید، تابشگر خوبی می شود. اما چگونه می توانیم سطح سفید را تغییر بدهیم؟ با ایجاد خراشها و گودالهای زیادی در آن. هرچه خراشها و گودالها عمیقتر شوند، درست مثل حفره های کوچک، تابش تابیده بر خود را به دام می اندازند. مقدار زیادی از تابشی که داخل حفره می شود باز نمی تابد و در همانجا جذب می شود. حفره ها مثل دام برای تابش عمل   می کنند. خانه ای را در نظر بگیرید که در نور آفتاب یک پنجره آن باز است. پنجره باز مثل حفره عمل می کند . اینکه داخل خانه با چه رنگی نقاشی شده باشد (نقره ا ی، طلایی و مانند آن) هیچ تاثیری در آن ندارد و داخل خانه از بیرون تاریک به نظر می رسد.

(ج) پاسخ درست پرسش دوم است. اگر حفره های نقره ای، طلایی و مانند آن همه به طور یکسان جذب کننده های خوب باشند، آنگاه باید همه به طور یکسان تابشگرهای خوبی نیز باشند.

 

اگر درهای دو حفره با دمای یکسان را مقابل هم قرار دهیم دو حفره باید در دمای یکسان باقی بمانند. این گفته به این معنی است که انرژی تابشی جذب شده توسط یک حفره باید مجدداً تابیده (تاب را با بازتاب اشتباه نگیرید!) و در نتیجه مقدار تابش از حفره موجود در فلز سفید با مقدار تابش از حفره سیاه باید برابر باشد.

 

 

 

 

7) پاسخ: (ب) پاسخ درست است. به چندین دلیل: (1) رنگ سفید بهترین رنگ بازتابگر است و خانه را در طول روز خنک نگه می دارد. (2) رنگ سفید کمتر از همه رنگهای دیگر تابش می کند و بنابراین خانه را در طول شب گرم نگه می دارد. (3) رنگ سفید بیشتر از هر رنگ دیگری دوام می آور ، زیرا مقدار کمی از نور تابشی را جذب و بقیه را باز می تاباند؛ نور جذب شده رنگ و چوب آن را خراب می کند. اگر باور نمی کنید می توانید رنگ دیوارهای شمالی و جنوبی منزل خودتان را با هم مقایسه کنید. (4) اگر فاصله دیوار منزل شما و دیوار منزل همسایه خیلی کم است نور کمتری از پنجره شما وارد اتاق می شود. اگر هم دیوار شما و هم دیوار منزل همسایه سفید باشد در اثر بازتاب نور، نور بیشتری به پنجره شما می تابد و اتاقتان را روشنتر می کند. داخل خانه را هم اگر رنگ سفید بزنید از لحاظ مصرف برق به صرفه تر است. فراموش نکنید که بام خانه را حتماً رنگ سفید بزنید، یا آن را با آلومینیوم بپوشانید. اکنون می توانید بفهمید که چرا فضانوردان هنگامی که روی ماه پیاده روی می کردند لباس سفید پوشیده بودند.