Makala za fizikia kuhusu matukio ya asili n.k. yanayohusiana na fizikia.
Kuelewa Mifumo na Mazingira
Mfumo ni kitu au kundi la vitu vinavyosomwa. Vitu vingine katika ulimwengu huitwa mazingira. Kwa kawaida, mfumo hutenganishwa na mazingira yake na "kizuizi/kizuizi/kitenganishi."
Kwa mfano, tuseme tunataka kuchunguza maji katika thermos. Maji ndani ya thermos huunda mfumo, huku hewa na vitu vingine nje ya thermos vikiunda mazingira. Kuta za thermos, kioo ndani na plastiki nje, hufanya kazi kama mgawanyiko. Thermos ya maji ni mfano mmoja.
Kuelewa Joto Lililofichika
Ukiingiza kipimajoto cha zebaki kwenye chombo chenye mchanganyiko wa maji baridi na barafu, utaona kwamba baada ya kushuka chini, uso wa zebaki unakuwa umetulia au hausongi tena. Uso wa zebaki huacha kusonga baada ya kufikia kiwango cha kuyeyuka kwa maji au kiwango cha kuganda kwa maji (0 ° C). Ikiwa chombo kimefunguliwa, joto hutiririka kutoka hewani kwa halijoto ya juu hadi kwenye mchanganyiko wa barafu na maji kwa halijoto ya chini. Joto la ziada kutoka hewani husababisha barafu kuyeyuka. Barafu inapoyeyuka, je, halijoto ya mchanganyiko wa barafu na maji hubadilika? Barafu inapoyeyuka, halijoto ya mchanganyiko wa maji na barafu haibadiliki.
Joto maalum (c) ni kiasi cha joto (Q) kinachohitajika ili kuongeza halijoto (T) ya uzito wa kitengo kimoja (m) cha kitu kwa digrii moja. Fomula ya c ni:
Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo ni J/Kg K.
Joto maalum la kitu hubadilika kulingana na halijoto. Ikiwa mabadiliko ya halijoto si makubwa sana, thamani inaweza kuchukuliwa kuwa thabiti. Zifuatazo ni thamani za c kwa vitu kadhaa kwa shinikizo la atm 1 na halijoto ya 20 ° C (iliyopatikana kwa majaribio).
Ikiwa vitu vyenye halijoto tofauti vinagusana, joto husogea kiasili kutoka kwa kitu chenye halijoto ya juu hadi kitu chenye halijoto ya chini. Uhamisho wa joto husimama mara tu vitu hivyo viwili vinapofikia usawa wa joto . Inaweza kusemwa kwamba uhamisho wa joto husababisha mabadiliko katika halijoto ya vitu vinavyogusana. Kulingana na maelezo haya mafupi, imehitimishwa kwamba joto (Q) linahusiana na kitu na mabadiliko ya halijoto (delta T) ya kitu hicho. Kila kitu kina uzito (m) na aina ya kitu pia ni tofauti.
Kitengo cha joto ni kalori (kwa kifupi kal). Kalori ni kiasi cha joto kinachohitajika ili kuongeza halijoto ya gramu 1 ya maji kwa 1 C ( hasa kutoka 14,5 o C hadi 15,5 o C). Kiasi cha joto kinachohitajika hutofautiana kwa halijoto tofauti za maji . Kwa kiasi sawa cha joto, ongezeko la 1 C katika halijoto ya maji hutokea tu kati ya 14,5 o C na 15,5 o C. Kitengo cha joto kinachotumika mara nyingi, hasa kuelezea thamani ya nishati ya chakula, ni kilokalori (kcal). 1 kcal = kalori 1000. Jina lingine la kcal 1 = Kalori 1 (mtaji mkuu K). Kitengo cha joto kwa mfumo wa Uingereza ni Btu (kitengo cha joto cha Uingereza). 1 Btu = kiasi cha joto kinachohitajika ili kuongeza halijoto ya pauni 1 ya maji kwa 1 F₂ ( hasa kutoka 63 o C hadi 64 o C).
Kuelewa Matatizo ya Maji
Kila kitu hupanuka (kiasi huongezeka) wakati halijoto ya kitu huongezeka na kupungua (kiasi hupungua) wakati halijoto ya kitu hupungua. Maji pia hupanuka wakati halijoto inapoongezeka na kupungua wakati halijoto inapungua, lakini si kwa halijoto ya 0 ° C – 4 ° C. Kati ya halijoto ya 0 ° C na 4 ° C, ujazo wa maji hupungua (maji hupungua) kadri halijoto inavyoongezeka. Tukipasha maji joto kwa 0 ° C, maji yanapokuwa moto zaidi, ndivyo ujazo wa maji unavyopungua zaidi. Mchakato wa kusinyaa husimama wakati maji yanafikia halijoto ya 4 ° C. Zaidi ya 4 ° C, ujazo wa maji huongezeka (maji hupanuka) kadri halijoto inavyoongezeka. Kinyume chake, maji hupanuka (kiasi cha maji huongezeka) wakati halijoto inapungua kutoka 4 ° C hadi 0 ° C. Ugeni huu wa maji unajulikana kama anomaly ya maji.
Ukiangalia nyaya za umeme kwa karibu, utaona zimepinda kuelekea chini kutokana na kulegea. Kwa nini nyaya za umeme hulegezwa kimakusudi, badala ya kushinikizwa tu? Paa nyingi huko Flores na Lembata, East Nusa Tenggara, zimetengenezwa kwa zinki (Zn). Wakati wa mchana au usiku, paa za zinki hutoa kelele. Kwa nini zinki hutoa kelele? Ikiwa unaishi katika kisiwa cha Java, huenda umeona njia za reli. Kuna mapengo kwenye viungo vya reli. Je, mapengo haya kwenye viungo vya reli hufanya kazi gani? Kuna mambo mengi unayoweza kufikiria na kuuliza kuhusu yanayohusiana na mada ya upanuzi.
Tukirekebisha aina tofauti za vipimajoto, kwa mfano kipimajoto cha zebaki na kipimajoto cha pombe, mizani ya vipimajoto vyote viwili ni sawa tu kwa 0 ° C (au 32 ° F) na 100 ° C (au 212 ° F). Tukitumia vipimajoto vyote viwili kupima halijoto ya hewa, nambari zinazoonyeshwa na kila kipimajoto hazitakuwa sawa. Inawezekana kwamba kipimajoto cha zebaki kinaonyesha 48 ° C, huku kipimajoto cha pombe kikionyesha 46 ° C. Hii ni kwa sababu kiwango cha upanuzi wa zebaki na pombe ni tofauti. Vile vile kwa aina nyingine za vipimajoto, kama vile vipimajoto vya bimetali, n.k. Kipimo cha halijoto kinachoamuliwa kwa njia hii kinategemea sana sifa za vifaa vinavyotumika.
Mizani ya Selsiasi na Fahrenheit ni mizani tofauti ya halijoto. Ikiwa halijoto ya kitu hupimwa na kuonyeshwa kwa Selsiasi na kisha tunataka kuonyesha halijoto ya kitu katika Fahrenheit, tunabadilisha kutoka Selsiasi hadi Fahrenheit. Katika sehemu hii, tunajifunza jinsi ya kubadilisha au kufanya mabadiliko ya halijoto.
Kwa shinikizo la atm 1, halijoto ya kiwango cha barafu kwa kipimajoto cha Selisiasi = 0 oC, huku kipimo cha kipimajoto cha Fahrenheit = 32 oF. Kinyume chake, kwa shinikizo la atm 1, halijoto ya kiwango cha mvuke kwa kipimajoto cha kipimo cha Selisiasi = 100 oC, huku kipimo cha kipimajoto cha Fahrenheit = 212 oF. Tazama picha iliyo hapa chini!
Aina za Vipimo vya Kipimajoto
Ili kipimajoto kitumike kupima halijoto, kinahitaji kufafanuliwa kwa kipimo. Mizani miwili ya kipimajoto inayotumika sana ni kipimo cha Selisiasi na kipimo cha Fahrenheit. Kipimo cha halijoto kinachotumika sana nchini Indonesia ni kipimo cha Selisiasi. Jina lingine la kipimo cha Selisiasi ni kipimo cha selisiasi. Sentigredi = hatua mia moja. Kipimo cha Fahrenheit mara nyingi hutumika nchini Marekani au nchi zenye majira ya baridi kali. Kipimo muhimu sana cha halijoto katika sayansi ni kipimo kamili, au kipimo cha Kelvin. Kipimo cha Kelvin kitajadiliwa baadaye.
Mizani ya Selsiasi na Fahrenheit hutumia sehemu za kugandisha na kuchemsha za maji kama sehemu zisizobadilika. Sehemu ya kugandisha ya dutu ni halijoto ambayo awamu ngumu na kioevu ziko katika usawa wa joto . Kinyume chake, kiwango cha kugandisha cha dutu ni halijoto ambayo awamu za kioevu na gesi ziko katika usawa wa joto. Sehemu za kugandisha na kuchemsha hubadilika kila wakati kulingana na shinikizo la hewa, kwa hivyo shinikizo la hewa lazima liamuliwe kwanza. Kwa kawaida tunatumia shinikizo la kawaida, ambalo ni atm 1 (anga moja). Anga ni kitengo cha shinikizo la hewa.