درجة الحرارة

درجة الحرارة

إن مفهوم درجة الحرارة temperature ذو منشأ حسي، يساعد على تحديد الحالة الداخلية للجملة أو النظام المدروسين. ودرجة الحرارة مقدار فيزيائي يعرّف إجرائياً، أي تُتخذ جملة معينة معياراً وتُقارن بها بقية الجمل فتعطي أرقاماً تدل على مدى ابتعاد حالتها عن حالة الجملة المختارة. فعندما نقول إن هذا الجسم ساخن أو بارد فإننا نقارن حالته بحالة جسمنا الداخلية، وهو إجراء يبدأ من محسّات الّلمس في الجلد و ينتهي بإعطاء الحكم بعد معالجة السيالات العصبية (الإشارة) في الدماغ، وقد يتبعه أوامر للابتعاد عن الجسم. ودرجة الحرارة من المقادير الفيزيائية الأساسية الخمسة التي تعرّف بدلالتها بقية المقادير (الثانوية) بوساطة قوانين محددة، وهذه المقادير هي الكتلة و الزمن والشحنة الكهربائية والطول وجميعها تعرّف، مثل درجة الحرارة، تعريفاً إجرائياً. فالحرارة[ر] مقدار مشتق لأنه يكافئ طاقة ميكانيكية أو عملاً يعطى بدلالة حاصل ضرب قوة في انتقال، لذلك وجب التمييز بين درجة الحرارة و الحرارة.

لا يمكن الاعتماد على الحكم الحسي لتقدير درجة الحرارة وإعطائها أرقاماً محددة، فهي بالأصل تفضيلية، كما أنها قد تختلف من شخص إلى آخر، وقد تختلف في تقدير الشخص نفسه تبعاً لما عاناه سابقاً. لذلك لا بد من انتقاء أدوات لقياس درجة الحرارة تشمل موازين الحرارة أو مقاييس درجة الحرارة أو الحرارة اختصاراً thermometers.

وهي متنوعة جداً تختلف فيما بينها بالخاصة الفيزيائية المختارة للدلالة على درجة الحرارة، وبالتالي بالقيم التي تأخذها هذه الخاصة. ففي ميزان الحرارة الزئبقي مثلاً، تؤخذ تغيرات حجم الزئبق مع تغيرات حالة الوسط الذي يوضع فيه لتشير إلى درجة الحرارة.

وفي ميزان الحرارة ذي المقاومة الكهربائية تؤخذ تغيرات المقاومة الكهربائية لتشير إلى درجة الحرارة. وفي ميزان الحرارة الإشعاعي، تؤخذ كمية الطاقة التي يشعها الجسم مقياساً لدرجة حرارته.

اختار العلماء الماء وحالاته التي يمر بها، متجمداً ليصبح جليداً، أو متبخراً ليصبح بخار ماء وغيوماً، معياراً، لأهمية الماء للإنسان ولسهولة الحصول عليه نقياً. فأخذوا حالة انتقاله بين السائل والجليد فأعطاها بعضهم الرقم صفر (سلَّم سلزيوس أو السلَّم المئوي) وأعطاها آخرون الرقم 32 (سلَّم فهرنهايت)، وحالة انتقاله بين السائل والغاز حالة ثانية للمقارنة فأعطيت الرقم 100 في سلَّم سلزيوس والرقم 212 في سلَّم فهرنهايت، أي إن درجة سلزيوس واحدة تقابل 100/1 ما بين تغير الحالتين بينما درجة فهرنهايت واحدة تقابل 180/1 ما بين الحالتين المختارتين.

ثمة سلالم حرارية أخرى مثل سلَّم رئمور الذي أسند صفر للأولى و80 عند التحول بين السائل و البخار.

السلالم الحرارية: تتصف السلالم الحرارية الثلاثة المذكورة آنفاً باعتمادها على الرقمين المسندين إلى الحالتين الأولى التي يتوازن فيها الصلب مع السائل مهما كانت نسبتهما، والثانية الحالة التي يتوازن فيها السائل مع البخار بأي نسبة بينهما، غير أن الدراسات الحرارية على الغازات أولاً، ثم على السوائل والأجسام الصلبة البلورية واللابلورية، أظهرت وجود نقطة هي درجة حرارة الصفر المطلق تكون عندها حالات المواد كلها متماثلة ويمكن أن تُعد حالة مرجعية لها جميعاً، وأي تغير يبتعد بها عن هذه الحالة يوافق رقماً أعلى من الصفر. ففي الغاز مثلاً، ومع ظهور النظرية الذرية، يمكن تقسيم ذراته إلى مجموعات لكل مجموعة منها سرعة وسطية مشتركة، أي لها طاقة متقاربة، أما عدد الذرات في كل مجموعة فتحدده درجة حرارة الغاز، وبالتالي دخلت درجة الحرارة وسيطاً يساعد على وصف حالة الغاز الداخلية. وعندما يُنظر إلى غازات مختلفة يتبين أن العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه تنتهي إلى القيمة نفسها مهما كان الغاز المدروس طالما أن ضغوطها منخفضة بدرجة كافية، وهذه النقطة المشتركة هي درجة الصفر المطلق.

وينطبق ذلك على المواد البلورية أيضاً، فقد وجد أن الحالة التي تصل إليها قرب الصفر المطلق هي الحالة المرتَّبة تماماً التي تحتل فيها ذرات المادة البلورية مواقع محددة. وعندما تبتعد عن الصفر المطلق تبدأ حالات تحوي عيوباً وفوضى على المستوى الذري، وتتعدد الحالات الممكنة.

أدخل مفهوم الأنتروبية[ر] ليكون مقياساً لهذه الفوضى وفق القانون الثاني في التحريك الحراري[ر] وليكون قابلاً للتطبيق على جميع المواد الصلبة والسائلة والغازية، فأخذ الصفر المطلق على هذا السلَّم معنى محدداً مرتبطاً بقوانين التحريك الحراري (الترموديناميك) لذلك يسمى السلَّم الترموديناميكي أحياناً، ويسمى غالباً سلَّم كلفن K أو السلَّم المطلق.

بقي لاستكمال السلَّم اختيار حالة أو نقطة ثانية. فوقع الاختيار على النقطة التي يمكن أن يوجد فيها الماء في حالاته الثلاث متوازناً، و تسمى النقطة الثلاثية درجة مئوية 0.01 وأسند لها الرقم 273 K لكي تكون سعة الدرجة على هذا السلَّم مساوية لسعة الدرجة على سلَّم سلزيوس (أو السلَّم المئوي)، فتمَّ التخلص بهذا الاختيار من التغيرات التي تطرأ على حالة التوازن بين الماء السائل و الجليد بتغير الضغط الجوي السائدة، فالنقطة الثلاثية تقابل ضغطاً وحيداً.

موازين الحرارة: يمكن تقسيم موازين الحرارة إلى نوعين :

موازين حرارة أساسية، وفيها تكون قيم الخاصة المنتقاة التي تشير إلى درجة الحرارة ذات علاقة واضحة بدرجة الحرارة، مثل تناسب الطاقة التي يشعها الجسم مع درجة الحرارة مرفوعة إلى القوة الرابعة في موازين الحرارة الإشعاعية. و كمثال آخر موازين الحرارة الغازية التي يتناسب حاصل ضرب حجم كمية معيَّنة من الغاز في ضغطها مع درجة الحرارة تناسباً طردياً وتعتمد مثل هذه التسمية على أسس نظرية.

أما النوع الثاني فهو موازين الحرارة الثانوية، وفيها لا تكون العلاقة مع درجة الحرارة ذات مبررات نظرية واضحة، مثل موازين الحرارة ذات المقاومة الكهربائية المتغيرة، أو موازين الحرارة التي تعتمد على تغيرات القوة المحركة الكهربائية بين سلكين مختلفين في مادتهما، أو موازين الحرارة التي تعتمد على تغيرات واحدة الطول من مادة معينة، أو تغيرات واحدة الحجم كما في الموازين الزئبقية أو الكحولية. تعاير هذه الموازين عموماً عند نقاط محددة، ويفضل أن تكون التغيرات مع درجة الحرارة تغيرات من الدرجة الأولى في درجة الحرارة.

يُختار أحياناً نقاط ثلاثية أخرى إضافة للنقطة الثلاثية للماء لتحديد ثوابت إضافية أو اختبار الموازين وصحتها. وتختلف الموازين الحرارية بعضها عن بعض بحساسيتها وتكراريتها عند إنجاز دورات حرارية متعددة. على سبيل المثال، تكون حساسية الموازين الحرارية ذات المقاومة المتغيرة لمادة ناقلة ضعيفة لكن تكراريتها عالية، أما إذا كانت المادة نصف ناقلة فحساسيتها لتغيرات درجة الحرارة عالية إلا أن تكراريتها ضعيفة، وكذلك الأمر في حالة القوة المحركة الكهربائية فهي خطية لكن تكراريتها سيئة.

وتوجد موازين حرارية من أنواع أخرى مثل الموازين التي تغير لون مادتها عند درجة حرارة معينة، أو يكون لمادتها ألوان متباينة في مجالات مختلفة من درجات الحرارة. ولكون تغيرات الخواص الحرارية مع درجة الحرارة صغيرة، أصبح من الضروري تضخيم هذه التغيرات قبل قياسها فاستخدمت إلكترونيات مناسبة وأصبح ميزان درجة الحرارة يتألف من محس حراري متصل بجهاز إلكتروني يمكن أن يعطي درجة الحرارة رقمياً مباشرة. كما تطورت معها إمكان ربط الجهاز الإلكتروني بمسخن يمكن أن يغير من الطاقة التي تغذيه ليتماشى مع إمكان تثبيت درجة الحرارة أو تغييرها وفق نظام محدد و مبرمج، كما في مثبتات درجة الحرارة thermostat أو في المتحكمات بدرجة الحرارة temperature controller التي على الأفران المستخدمة للأغراض العلمية.

تطبيقات: إضافة إلى أهمية تثبيت درجة الحرارة لدراسة الأحياء أو إكثارها، هناك تطبيقات صناعية هامة مثل البرنامج الحراري المستعمل في تقسية المعادن، والإبقاء على درجة حرارة ثابتة، أو الإبقاء على مجال محدد من درجات الحرارة لضمان حسن سير التجهيزات الإلكترونية المختلفة كالحواسيب. كما أن لها تطبيقات علمية فلكية، مثلاً بيان ما يحدث عند درجات حرارة بالغة الشدة من تفاعلات نووية أو ضوئية و غيرها.

امتحانات جهوية موحدة (جميع المواد)

درجة الحرارة

درجة الحرارة