الحرارة
تُعتَبَرُ الحَرارَة شَكل مِن أَشكَالِ الطَّاقَةِ المَحسُوسَة غَير المَرئِيَّةِ، والتي تُعَبِّرُ عَن مَدى حَرَكِيَّةِ الذرّاتِ دَاخِل جِسمٍ مَا، وَتَنتَقِلُ مِنَ الجِسمِ ذِي دَرَجَةِ الحَرَارَةِ الأَعلَى إِلى الجِسمِ ذِي دَرَجَةِ الحرَارَةِ الأَقل حتَّى حُدوث الاتِّزان، فَيَتوَقَّفُ بعدها انتِقَال الحَرارَةِ بَينَهُما، ومِنَ الأَمثلة عَلى ذَلك، عِندَ وَضعِ قِطعَة ثَلجٍ دَاخِل وِعاء بِه مَاء يَبدَأُ الثَّج بِالذَّوَبَان إِلى أَن يُصبِحَ لِلمَاءِ دَاخِل الوِعَاء دَرَجَة حَرارة وَاحِدة، فَذَوبَان الثَّلج يَنتُجُ عَن اكتِسَابِ جُزَيئَاتِ المَاءِ المُتَجَمِّدَةِ حَرَارَةً تَحصُل عَلَيهَا مِنَ المَاءِ المُحيطِ. تَرتَبِطُ الطَّاقَةُ الحَرَارِيَّةِ بِانتِقَالِهَا بَينَ َالأِجسَامِ، بَينَمَا تُعرَفُ دَرَجَة الحَرَارَةِ (بالإنجليزية: Temperature) بِأَنَّها مُؤَشِّر عَلَى كَمِيَّةِ الطَّاقَةِ الحَرارِيَّةِ المُختَزَنَة دَاخِل الجِسم.
طرق انتقال الحرارة
تَنتَقِلُ الحَرارَةُ مَن جِسمٍ إِلى آخَر بِثَلاثِ طُرُقٍ:
- التَّوصِيل الحَراريّ: (بالإنجليزية: Heat Conduction) وَهو انتِقَال الحَرارَة مِن جُزيء إِلى آخَر مُلامِس لَه، وَيعتَمِدُ التَّوصِيلُ الحَراريّ عَلى نَوعِ المَادَّةِ المُرَاد تَوصِيل الحَرارَة مِن خِلالها، إِذ تُعتَبَرُ المَعادِنَ مُوصلة جَيِّدَة لِلحَرارَة، بَينَما يُعتَبَرُ الهَواءَ مُوصِل رَديء لِلحَرَارَةِ.
- الحَمل الحَراري: (بالإنجليزية: Heat Convection) وَهوانتِقَال الحَرارَة عَن طَريقِ انتِقَال المَائِع مِن مَادَّة إِلى أُخرَى، وَتَشمَل نَوعَان مِن طُرُق الحَمل: الحَمل الطَبيعيّ (بالإنجليزية: Natural Convection )، وَالحَمل القَسريّ (بالإنجليزية: Forced Convection).
- الإِشعَاع: (بالإنجليزية: Radiation) وَهو انتِقال الحَرارَة مِن جِسمٍ مُشِّع دون الحَاجَة إِلى وَسَط لانتِقال الحَرارَةِ خِلالِه، ويَعتَمِدُ التَّوصيلُ الإِشعَاعِيّ عَلى دَرَجَةِ الحَرَارَةِ، وَطَبيعَةِ السَّطحِ البَاعِث لِلأشِّعَة.
وحدات قياس درجة الحرارة
الكلفن
تُسمَّى بِدَرجَةِ الحَرارَةِ المُطلَقَة، يُرمَزُ لَهَا بِالرَّمزِ (ك) أو (K)، سُمّيت بَهذا الاسم نِسبَة إِلى العَالِم البريطانيّ كلفن، وَهي الوِحدَة المُعتَمَدَة فِي النِّظامِ الدَولِيّ لِلوِحدَاتِ، استِخدَامَات وِحدة الكِلفن فِي المَجَالاتِ العِلميَّةِ وَاسِعة جِدَّاً؛ لارتِبَاطها بِنَشَاطِ الجُزَيئَاتِ ، وَلِرَبطِها بَينَ الحَجمِ والضَّغط لِلغَازِ، عِند دَرَجة صِفر كلفن يَتوقّف نَشَاط الجُزيئَات كُليَّاً فِي كُلِّ شَيءٍ، لِذا تُعتَبَرُ أَخفَض دَرَجَة حَرَارَة فِي الطَّبيعَةِ، وَفِعلِيَّاً لَم يَتم الوُصُول إِليها. نَادِرَاً مَا تُستَخدَم وِحدة غَير الكلفن فِي المَجالاتِ العِلمِيَّةِ، وَفي حَالِ تَمَّ استِخدَام وِحدَة أُخرَى يُذكَر مَا يُعادِلُها عَلى مِقياسِ الكلفن.
السّلسيوس
يُرمَزُ لَهَا بِالرَّمزِ (م) أو(°C)، اعتُمِدَت فِي تَدرِيجَاتها عَلى دَرَجةِ تَجَمُّدِ المَاءِ وَغَلَيانِه، فَأُعطي صِفرها لِدَرَجَةِ حَرَارَةِ تَجَمُّد المَاءِ و100 دَرَجَة فِيها أُعطِيَت لِدَرَجَةِ غَلَيانِ المَاءِ، وَكل دَرَجَة فِيها تُعطِي حَرَارَة بَين التَجمُّد وَالغَلَيان لِلماءِ عِندَ الضَّغطِ الجَّوي القِياسِيِّ، وَتمَّ اقتِراح هَذا المِقياس مِنَ العَالِم السويديّ أندرس سليسيوس، وَسُمِّي بِاسمه فِي القَرنِ الثَّامنِ عشر، وَالاسم المَشهور لَها اليَوم هو السّليسيوس، ولَكن قَبل العام 1948 ميلاديّة كانَ الاسم المُتَدَاوَل لَها المئويّ، وَنِظام دَرَجة الحَرارة السيلسيوس شَائِع الاستِخَدامِ حَول العَالَم نَظراً لِسُهولَتِه، بِاستِثناءِ الوِلايات المُتّحدة الأَمريكيَّة التَّي تَتَعامَلُ بِمقياسِ الفهرنهايت.
الفهرنهايت
وَهي وِحدَة القِياسِ الشَّائِعَة الاستِخدَامِ فِي الولايات المُتَّحدة الأِمريكيَّة ، يُرمَزُ لَها بالرَّمزِ (ف) أو (F) نِسبَةً لِلعَالِم الأَلمانِيّ دانيال فهرنهايت، وَقد وُضِعَت تَدريجاتها بِالاعتِمادِ عَلى خَلطِ نِسَبٍ مُتَساوِيَةٍ مِنَ الثَّلجِ، وَالماءِ، وكلوريد الأمونيوم، وَأُعطيَت دَرَجة حَرارَةِ المَحلول فَور الخَلطِ الصِّفر فهرنهايت، وَحَسَب مِقياس دَرَجة تَجَمُّد المَاءِ كَانت عِند 32 درجة، بَينَما غَليان الماءِ عِند دَرَجَةِ حَرَارَة 212 دَرجة.
الرّانكين
وهوَ مِقياس لِلحرَارَة المُطلَقة كَما هُو الحَال بالنِّسبَة لِلكلفن، ويرمز لها بالرّمز (ر) أو (R)، وَسُمِّيَت عَلى اسمِ العَالِم الاستكلنديّ وليم رانكين.
التّحويل بين وحدات قياس الحرارة
يتمّ التّحويل بين وحدات قياس الحرارة كالآتي:
- في مقياس السّليسيوس يغلي الماء عند درجة حرارة 100، ويتجمّد عند 0، الفرق بين القراءتين 100 درجة.
- في مقياس الكلفن يغلي الماء عند درجة حرارة 273، ويتجمّد عند 273، الفرق بين القراءتين 100 درجة.
- في مقياس الفهرنهايت يغلي الماء عند درجة حرارة 32، ويتجمّد عند 212، الفرق بين القراءتين 180 درجة.
- في مقياس الرّانكين يغلي الماء عند درجة حرارة 671.69، ويتجمّد عند 491.69، الفرق بين القراءتين 180 درجة.
- وَيَتم اتِّباع المُعادَلات الآتية للتّحويلِ بين الوحدات المُختَلِفة:
التّحويل بين وحدات السّليسيوس والكلفن
- من السّليسيوس إلى الكلفن:
ك = 237 س
- من الكلفن إلى السّليسيوس :
س = ك – 237
التّحويل بين وحدات الفهرنهايت والسّليسيوس
- من السّليسيوس إلى الفهرنهايت:
ف = 1.8 س 32
- من الفهرنهايت الى السّليسيوس:
س = ( ف – 32 ) / 1.8
التّحويل بين وحدات الفهرنهايت والكلفن
- من الفهرنهايت إلى الكلفن:
ك = (459.4 ف) / 1.8
- من الكلفن إلى الفهرنهايت:
ف = 1.8 ك - 459.4
التحويل بين الرانكين والكلفن
ك = ر / 1.8
ر = 1.8 ك
التّحويل بين الرّانكين والفهرنهايت
- من الرّانكين إلى الفهرنهايت
ف = ر - 459.67
- من الفهرنهايت إلى الرّانكين
ر = ف 459.67
أمثلة
- ما هي درجات الحرارة المُكافئة لدرجة حرارة 30 سليسيوس بالمقياس فهرنهايت، وبالمقياس كلفن؟
الحل:
للتّحويل من السّليسيوس إلى الفهرنهايت:
- ف = 1.8 س 32
- ف = 1.8 *30 32
- ف = 86
للتّحويل من السّليسيوس إلى الكلفن:
- ك = س 273
- ك = 30 273
- ك = 303
- متى تتساوى الحرارة بين الفهرنهايت والسّليسيوس؟
الحل:
- ف = س
- س = 1.8 س 32
- بحل المعادلة الخَطيّة النّاتجة تكون النّتيجة:
- س = -32/ 0.8 = - 40
- إذاً عند درجة حرارة – 40 تتساوى القيمتان.
- متى تتساوى الحرارة بين الفهرنهايت والكلفن؟
الحل:
- ف = ك
- ف = 1.8 ف - 459.4
- بحل المعادلة الخطية تكون النّتيجة:
- ف – 1.8 ف = 459.4
- 0.8 ف = 459.4
- ف = 574.25
- إذاً عند درجة حرارة 574.25 تتساوى القيمتان.
