درجة حرارة بالإنجليزية Temperature ، هي مؤشر على كمية الطاقة الحرارية التي يختزنها جسم ما ، كما أنها مؤشر على مدى حركية ذراته حيث يمكن رياضيا ايجاد معادلة تصل بين الطاقة الحركية لجزيئات أوذرات جسم ما ودرجة حرارته.

تعريف

إن مفهوم درجة الحرارة temperature ذومنشأ حسي، يساعد على تحديد الحالة الداخلية للجملة أوالنظام 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 إذا هذا الجسم ساخن أوبارد فإننا نقارن حالته بحالة جسمنا الداخلية، وهوإجراء يبدأ من محسّات الّلمس في الجلد وينتهي 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 والزمن والشحنة الكهربائية والطول وجميعها تعرّف، مثل درجة الحرارة، تعريفاً إجرائياً. فالحرارة[ر] مقدار مشتق لأنه يكافئ طاقة ميكانيكية أوعملاً يعطى بدلالة حاصل ضرب قوة في انتنطق، لذلك وجب التمييز بين درجة الحرارة والحرارة.لا يمكن الاعتماد على الحكم الحسي لتقدير درجة الحرارة وإعطائها أرقاماً محددة، فهي بالأصل تفضيلية، كما أنها قد تختلف من إنسان إلى آخر، وقد تختلف في تقدير الشخص نفسه تبعاً لما عاناه سابقاً. لذلك لا بد من انتقاء أدوات لقياس درجة الحرارة تضم موازين الحرارة أومقاييس درجة الحرارة أوالحرارة 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 الفهماء الماء وحالاته التي يمر بها، متجمداً ليصبح جليداً، أومتبخراً ليصبح بخار ماء وغيوماً، معياراً، لأهمية الماء للإنسان ولسهولة الحصول عليه نقياً. فأخذوا حالة انتنطقه بين السائل والجليد فأعطاها بعضهم الرقم صفر (سلَّم سلزيوس أوالسلَّم المئوي) وأعطاها آخرون الرقم 32 (سلَّم فهرنهايت)، وحالة انتنطقه بين السائل والغاز حالة ثانية للمقارنة فأعطيت الرقم 100 في سلَّم سلزيوس والرقم 212 في سلَّم فهرنهايت، أي إذا درجة سلزيوس واحدة تقابل 100/1 ما بين تغير الحالتين بينما درجة فهرنهايت واحدة تقابل 180/1 ما بين الحالتين المختارتين.

دور درجة الحرارة في الطبيعة

تلعب درجات الحرارة دورا هاما في معظم مجالاات العلوم بما فيها الفيزياء والكيمياء والأحياء.

الكثير من الخصائص الفيزيائية للمادة بما فيها الحالات الصلبة والسائلة والغازية أوالبلازما ، الكثافة ، والضغط الجوي ، والتوصيل الكهربي ، تعتمد جميعها على درجة الحرارة. وتلعب درجة الحرارة أيضا دورا عاما في التحكم في معدلات ومدى رد العمل في التجارب الكيميائية. ويعتبر هذا سببا من الأسباب التي تفسر كيفية إحتفاظ الجسم البشري بدرجة حرارة 37 ةدرجة مئوية.

الاعتماد على درجة الحرارة من قِبل سرعة الصوت في الهواء c, كثافة الهواء ρ والمعاوقة الصوتية Z ضد درجة الحرارة °C

وحدات القياس

هناك الكثير من الوحدات لقيس درجة الحرارة:

• الكلفن وهوالمقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI وهومقياس كثير الاستعمال في الميادين الفهمية.

يجب استخدامه إذا أريد حساب نسب من درجة الحرارة.

• سلزيوس وهوالمقياس المعتمد في حياتنا اليومية في معظم الدول العربية.
• فرنهايت وهوالمقياس المعتمد في الولايات المتحدة الامريكية.

المقارنة بين وحدات قياس درجة الحرارة

أولاً: المئوية أوالسلسيوس : هي وحدة قياس لدرجات الحرارة ويرمز لها بالرمز ( C )مقياس مئوي ، والدرجة الواحدة بقياس سيلزيوس هي واحد على مئة من الفرق بين درجة غليان الماء ودرجة تجمده تحت قياس الضغط القياسي . كانت تعهد بأسماء أخرى مثل مئويّة (centigrade) وذلك قبل حتى يتم تغيير الاسم بصفة رسمية إلى سلسيوس, سنة 1948. وسميت هذه الوحدة سلسيوس اثر الفلكي السويدي اندرس سيلزيوس، والذي اقترح في الأصل حتى تكون درجة الصفر مطابقة لدرجة غليان الماء وان تكون درجة تجمده لقاءة للمائة، ولكن ذلك سقط تعديله سنة 1747. يتم استعمال وحدة السلسيوس بصفة يومية في أغلب أراتى العالم, مثلا في ميدان التنبؤات الجوية, وما انفكت وسائل الاعلام تستعمل تسمية السنتيگراد (centigrade) إلى حدود أوائل التسعينيات. . أما بالنسبة للميادين الفهمية فيقع استعمال السلزيوس والكلفن.

ثانياً: الكلفن (Kelvin) ويرمز له بالرمز (K) . وتسمى أيضا بالحرارة المطلقة، حيث حتى درجة حرارة صفر كلڤين هي أخفض درجة حرارة في الطبيعة وتتوقف عندها حركة الجزيئات. سميت بهذا الاسم نسبة إلى وحدة القياس المعتمدة في النظام الدولي للوحدات لقياس درجة الحرارةالفيزيائي والمهندس البريطاني اللورد كيلفن. ومقياس الكلفن هوذلك المقياس الذى يوضح العلاقة بين حجم غاز معين ودرجة الحرارة المطلقة (وحدتها كلفن) وأيضا العلاقة بين ضغط وحجم غاز معين ودرجة الحرارة الكلفنية، فعند جميع زيادة مقدارها 1 درجة كلفنية يزداد حجم كمية معينة من غاز بمقدار 1/273 من حجمة الأصلى وكذلك ضغطه... وترتبط وحدة الكيلفن مع وحدات الحرارة الأخرى حسب العلاقات التالية: درجة كيلفن = الدرجة المئوية + 273.15 أي K = °C + 273,15 درجة كيلفن = (الدرجة الفهرنهايتيه + 459.67)/1.8 أي K = (°F + 459,67) / 1,8 ونادراً ما تستخدم وحدة الكيلفن في الحياة العامة، ولكنها ذات أهمية خاصة في المجالات الفهمية المتنوعة.

ثالثاً: الفهرنهايت هووحدة لقياس درجة الحرارة ويرمز له بالرمز (F) سمي بإسم منشئه العالم الفيزيائي الألماني دانيال غابرييل فهرنهايت (بالإنجليزية: Daniel Gabriel Fahrenheit) وكان ذلك عام 1724. يشيع استعمال الفهرنهايت في العالم حاليا في أمريكا فقط في حين حتى باقي دول العالم تستعمل السلسيوس ، ويرمز له بالرمز (C). يتم التحويل من الفهرنهايت إلى السلسيوس حسب المعادلة التالية: ° C = (°F − 32) ÷ 1.8 ، وبناء عليه فإنه حين حتى درجة تجمد الماء حسب مقياس السلسيوس هي درجة الصفر المئوي فإن درجة تجمد الماء حسب مقياس فهرنهايت هي "32 °F" وحين حتى درجة غليان الماء حسب مقياس السلسيوس هي 100 درجة مئوية فإن درجة غليان الماء حسب مقياس فهرنهايت هي "212 °F". ويتساوى القياسان عند درجة حرارة 40 تحت الصفر حيث حتى درجة "-40 °F" هي مساوية لمقدار درجة "-40 °C" .

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 حتى 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 حتى 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 مشهجرة، أي لها طاقة متقاربة، أما عدد الذرات في جميع مجموعة فتحدده درجة حرارة الغاز، وبالتالي دخلت درجة الحرارة وسيطاً يساعد على وصف حالة الغاز الداخلية. وعندما يُنظر إلى غازات مختلفة يتبين حتى العلاقة بين ضغط الغاز وحجمه تنتهي إلى القيمة نفسها مهما كان الغاز المدروس طالما حتى ضغوطها منخفضة بدرجة كافية، وهذه النقطة المشهجرة هي درجة الصفر المطلق.

وينطبق ذلك على المواد البلورية أيضاً، فقد عثر حتى 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 ليكون مقياساً لهذه الفوضى وفق القانون الثاني في التحريك الحراري 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 أوالسلَّم المطلق.

بقي لاستكمال السلَّم اختيار حالة أونقطة ثانية. فسقط الاختيار على النقطة التي يمكن حتى يوجد فيها الماء في حالاته الثلاث متوازناً، وتسمى النقطة الثلاثية درجة مئوية 0.01 وأسند لها الرقم 273 K لكي تكون سعة الدرجة على هذا السلَّم مساوية لسعة الدرجة على سلَّم سلزيوس (أوالسلَّم المئوي)، فتمَّ التخلص بهذا الاختيار من التغيرات التي تطرأ على حالة التوازن بين الماء السائل والجليد 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. وكمثال 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.

موازين الحرارة الثانوية

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

يُختار أحياناً نقاط ثلاثية أخرى إضافة للنقطة الثلاثية للماء لتحديد ثوابت إضافية أواختبار 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 حتى 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، أوقد 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 حتى يعطي درجة الحرارة رقمياً مباشرة. كما تطورت معها إمكان ربط الجهاز الإلكتروني بمسخن يمكن حتى يغير من الطاقة التي تغذيه ليتماشى مع إمكان تثبيت درجة الحرارة أوتغييرها وفق نظام محدد ومبرمج، كما في مثبتات درجة الحرارة thermostat أوفي المتحكمات بدرجة الحرارة temperature controller التي على الأفران المستخدمة للأغراض الفهمية.

تطبيقات

إضافة إلى أهمية تثبيت درجة الحرارة لدراسة الأحياء أوإكثارها، هناك تطبيقات صناعية هامة مثل البرنامج الحراري المستعمل في تقسية المعادن، والإبقاء على درجة حرارة ثابتة، أوالإبقاء على مجال محدد من درجات الحرارة لضمان حسن سير التجهيزات الإلكترونية المتنوعة كالحواسيب. كما حتى لها تطبيقات فهمية فلكية، مثلاً بيان ما يحدث عند درجات حرارة بالغة الشدة من تفاعلات نووية أوضوئية وغيرها.

الأساس النظري لدرجات الحرارة

تمت صياغة أربعة قوانين أساسية في القرن التاسع عشر تصف السلوك الإجمالي لمنظومة حرارية.

القانون صفر

ينص القانون صفر على حتى الحرارة تنساب من الساخن إلى البارد وتصبح درجة الحرارة واحدة عند بلوغ التجانس الحراري. يفيدنا القانون الأول بأن الحرارة شكل من أشكال الطاقة وهي تخضع بذلك لقانون انحفاظ الطاقة. أما القانون الثاني فيقرر حتى الطبيعة لا تسمح بتحول الطاقة من شكل إلى آخر إذا لم يترافق ذلك التحول مع ازدياد درجة الفوضى أي ازدياد الانتروبي وفق المصطلح الفيزيائي. إذا حافظنا على ثبات الانتروبي فإن التحولات من المط المشار إليه تتحق مترافقة مع انخفاض في كمية الطاقة الحرة الجاهزة للعمل يعتبر هذا القانون أبرز قانون كوني إلى جانب قانون الجذب الثنطقي. يحاول قانون الجذب الثنطقي تحقيق النظام المطلق بضم الأجسام الكونية إلى بعضها على العكس يسعى القانون الثاني إلى تفكيك البنى الكونية وبعثرتها . تدور جميع الأجسام الكونية حول بعضها بسبب تنازع هذين القانونين.

درجة الحرارة والغازات

For an ideal gas the kinetic theory of gases uses statistical mechanics to relate the temperature to the average kinetic energy of the atoms in the system. This average energy is independent of particle mass, which seems counter-intuitive to many people. Temperature is related only to the average kinetic energy of the particles in a gas - each particle has its own energy which may or may not correspond to the average; the distribution of energies (and thus speeds) of the particles in any gas are given by the Maxwell-Boltzmann distribution. The temperature of an ideal gas is related to its average kinetic energy via the equation:

${\displaystyle {\stackrel{¯<!--\; ¯\; -->}{E}}_k=\begin{array}{c}\frac{3}{2}\end{array}kT}$

In the case of a monoatomic gas, the kinetic energy is:

${\displaystyle E_{k ={\begin{matrix {\frac {1 {2 \end{matrix mv^{2$

(Note that a calculation of the kinetic energy of a more complicated object, such as a molecule, is slightly more involved. Additional degrees of freedom are available, so molecular rotation or vibration must be included.)

The second law of thermodynamics states that any two given systems when interacting with each other will later reach the same average energy per particle (and hence the same temperature). In a mixture of particles of various mass, the heaviest particles will move more slowly than lighter counterparts, but will still have the same average energy. A neon atom moves slower relative to a hydrogen molecule of the same kinetic energy; a pollen particle moves in a slow Brownian motion among fast moving water molecules, etc. A visual illustration of this from Oklahoma State University makes the point more clear. Particles with different mass have different velocity distributions, but the average kinetic energy is the same because of the ideal gas law.

درجة الحرارة في الفراغ

انظر أيضا

وصلات خارجية

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع [[commons: Category:درجة الحرارة | درجة الحرارة ]].

• An elementary introduction to temperature aimed at a middle school audience
• Why do we have so many temperature scales?
• A Brief History of Temperature Measurement
• What is Temperature? An introductory discussion of temperature as a manifestation of kinetic theory.

المصادر

• الموسوعة العربية

• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (2nd ed.). W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link)