سرعت صوت در گازها
سرعت صوت در گازها
صوت جزء امواج طولی است اما آیا برای انتقال صدا نیاز به محیط مادی هست؟
در آزمایش زیر زنگ ساده ای درون یك محفظه قرار گرفته است و توسط پمپی می توان هوای داخل ظرف را خارج نمود. به صدای به وجود آمده پس از خروج هوا از محفظه توجّه كنید؟
برای مشاهده فیلم روی شکل زیر کلیک کنید.
همان طور كه ملاحظه نمودید با خارج شدن هوا از محفظه، دیگر صدایی شنیده نمی شود، پس می توان نتیجه گرفت كه برای انتقال صدا نیاز به محیط مادی است،
اما صدا با چه سرعتی منتشر می شود؟ و سرعت صوت به چه عواملی بستگی دارد؟
برای پاسخ به این سوال باید به ساختار مولكولی محیط های مختلف و نحوه انتقال صوت توجّه نمود. پاسخ كلی به سوال فوق این است كه هر چه ذرّات محیط سفت تر به یكدیگر مرتبط باشند آن گاه سرعت صوت بیشتر خواهد بود. به جدول سرعت صوت در محیط های مختلف توجّه كنید.
سرعت صوت در جامدات بیشتر از گازها است. به عبارتی، هر چه فاصله مولكول ها بیشتر شود واكنش یك ذرّه به عمل ذرّه دیگر كاهش می یابد كه این امر باعث كاهش سرعت صوت می گردد.
همانند سرعت موج در تار گیتار، سرعت صوت بستگی مستقیم به ویژگی های محیط دارد. در گازها، وقتی یك مولكول به مولكول دیگر برخورد می كند این امكان فراهم می شود كه نواحی متراكم یا انبساط یافته از محلی به محل دیگر منتقل شوند. بر این اساس این موضوع معقول به نظر می رسد كه سرعت صوت در گازها در همان حد و اندازه سرعت متوسط مولكول ها باشد.
در دروس ترمودینامیك می توان سرعت متوسط مولكول ها را برای گازهای ایده آل به‌دست آورد. سرعت متوسط مولكول های گاز با جذر دما رابطه مستقیم و با جذر جرم مولكول ها رابطه عكس دارد به طوری كه داریم:
در اینجا Vrms سرعت متوسط مولكول ها، T دمای مطلق گاز، m جرم مولكول و K ثابت بولتزمان است. البته بدیهی است كه متوسط سرعت مولكول ها یك تقریب بالا برای سرعت انتقال صوت است. اما با این حال وابستگی سرعت صوت به دما و جرم مولكول ها به همین شكل می باشد.
البته سرعت صوت در گازها را به شكل دیگری نیز می توان نوشت:
كه در اینجا R ثابت عمومی گازها و m جرم مولكولی گاز می باشد. بدیهی است هر دو رابطه سرعت كه در بالا آمده معادل یكدیگرند.
بررسی های دقیق این موضوع را نشان می دهد كه سرعت صوت در یك گاز ایده آل برابر است با:
در اینجا
در اینجا بد نیست اثر دما را روی صدا بشنویم!
برای مشاهده فیلم روی شکل زیر کلیک کنید.
برای مشاهده فیلم روی شکل زیر کلیک کنید.
اكنون كه حرف از گازهای كامل و ظرفیت های ویژه آن به میان آمد بد نیست فرآیند انتقال صوت را از دیدگاه ترمودینامیكی نیز بررسی كنیم.
فرآیندهای تراكم و انبساط كه در حین عبور صوت به وجود می آید جزء فرآیندهای بی درو می باشند. ناحیه ای كه متراكم می شود كمی گرم می گردد و ناحیه ای كه منبسط می شود تا حدودی سرد می شود. اما هیچ انتقال گرمایی محسوسی بین ناحیه متراكم و انبساط یافته روی نمی دهد زیرا فاصله بین این دو ناحیه (كه معادل نصف طولِ موج است) برای اصوات شنیداری خیلی زیاد بوده و همچنین هوا عایق خوبی برای انتقال گرما می باشد. بر این اساس فرآیند تراكم و انبساط در انتقال صوت فرآیندی بی درو است.
جهت مشاهده مطالب مرتبط کلیک نمایید.
مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی
تنظیم: سمیرا بادامستانی