درجة الحرارة

درجة حرارة غاز غير ذري مثالي هي مقياس يرتبط بمتوسط الطاقة الحركية لذراته أثناء حركتهم. في هذا التصوير التحريكي, حجم ذرات الهليوم بالنسبة للمسافة بينهم موضـَّـح هنا بمقياس تحت 1950 ضغط جوي. هذه الذرات عند درجة حرارة الغرفة يكون لديها متوسط سرعة معين (تم إبطاؤه هنا مرتين، كل مرة منهم تريليون مرة).

تبدأ درجة تجمد الماء عند صفر درجة مئوية وتشير درجة الحرارة هنا في الجيد إلى -17 درجة مئوية

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 أو ذرات جسم ما و درجة حرارته.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 تعريف

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.

 دور درجة الحرارة في الطبيعة

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

العديد من الخصائص الفيزيائية للمادة بما فيها الحالات الصلبة والسائلة والغازية أو البلازما ، الكثافة ، و الضغط الجوي ، و التوصيل الكهربي ، تعتمد جميعها على درجة الحرارة. وتلعب درجة الحرارة أيضا دورا عاما في التحكم في معدلات ومدى رد الفعل 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

تأثير درجة الحرارة على سرعة الصوت ، وكثافة الهواء الصوتية والمقاومة الكهربائية
T في °C	c في م/ث	ρ في كم/م³	Z في N•s/م³
−10	325.4	1.341	436.5
−5	328.5	1.316	432.4
0	331.5	1.293	428.3
5	334.5	1.269	424.5
10	337.5	1.247	420.7
15	340.5	1.225	417.0
20	343.4	1.204	413.5
25	346.3	1.184	410.0
30	349.2	1.164	406.6

 وحدات القياس

هناك العديد من الوحدات لقيس درجة الحرارة:

• الكلفن وهو المقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI و هو مقياس كثير الاستعمال في الميادين العلمية.

يجب استخدامه إذا أريد حساب نسب من درجة الحرارة.

• سلزيوس و هو المقياس المعتمد في حياتنا اليومية في معظم الدول العربية.
• فرنهايت وهو المقياس المعتمد في الولايات المتحدة الامريكية.

 المقارنة بين وحدات قياس درجة الحرارة

المقارنة بين وحدات قياس درجة الحرارة

التعليق	كلڤن K	المئوية °C	فهرنهايت °F	رانكين °Ra (°R)	دلسسيل °D ¹	نيوتن °N ¹	Réaumur °R, (°Ré, °Re) ¹	رومر °Rø (°R) ¹
الصفر المطلق	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
أقل درجة حرارة سجلت على كوكب الأرض (ڤوستوك، القطب الجنوبي - 21 يوليو 1983)	184	−89	−128.2	331.47	283.5	−29.37	−71.2	−39.225
درجة حرارة "التقاطع" بين المئوية والفارنهايت	233.15	−40	–40	419.67	.	.	.	.
خليط فارنهايت من الثلج والملح	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
الماء يتجمد عند (في الضغط القياسي)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
متوسط درجة حرارة السطح على الأرض	288	15	59	518.67	127.5	4.95	12	15.375
متوسط درجة حرارة الجسم البشري ²	309.95	36.8	98.24	557.91	94.8	12.144	29.44	26.82
أعلى درجة حرارة سطح مسجلة على الأرض (العزيزية، ليبيا - 13 سبتمبر 1922)	331	58	136.4	596.07	63	19.14	46.4	37.95
الماء يغلي (عند ضغط الجو القياسي)	373.1339	99.9839	211.97102	671.64102	0	33	80	60
التيتانيوم ينصهر	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
سطح الشمس	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

أولاً: المئوية أو السلسيوس : 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 تعرف بأسماء أخرى مثل مئويّة (centigrade) و ذلك قبل أن يتم تغيير الاسم بصفة رسمية إلى سلسيوس, سنة 1948. وسميت هذه الوحدة سلسيوس اثر الفلكي السويدي اندرس سيلزيوس، و الذي اقترح في الأصل أن تكون درجة الصفر مطابقة لدرجة غليان الماء وان تكون درجة تجمده مقابلة للمائة، و لكن ذلك وقع تعديله سنة 1747. يتم استعمال وحدة السلسيوس بصفة يومية في أغلب أرجاء العالم, مثلا في ميدان التنبؤات الجوية, وما انفكت وسائل الاعلام تستعمل تسمية السنتيگراد (centigrade) إلى حدود أوائل التسعينيات. . أما بالنسبة للميادين العلمية فيقع استعمال السلزيوس و الكلفن.

ثانياً: الكلفن (Kelvin) ويرمز له بالرمز (K) . وتسمى أيضا بالحرارة المطلقة، حيث أن 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 هو ذلك المقياس الذى يوضح العلاقة بين حجم غاز معين ودرجة الحرارة المطلقة (وحدتها كلفن) وأيضا العلاقة بين ضغط وحجم غاز معين ودرجة الحرارة الكلفنية، فعند كل 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 العلمية المختلفة.

ثالثاً: الفهرنهايت هو وحدة 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 أن 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 أن درجة تجمد الماء حسب مقياس السلسيوس هي درجة الصفر المئوي فإن درجة تجمد الماء حسب مقياس فهرنهايت هي "32 °F" وحين أن 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 أن 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 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 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 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.

 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.

 الأساس النظري لدرجات الحرارة

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

خريطة لدرجات الحراره يعني بوصفها دالة على المكان.

 القانون صفر

ينص القانون صفر على أن 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 أن الطبيعة لا تسمح بتحول الطاقة من شكل إلى آخر إن 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 أهم قانون كوني إلى جانب قانون الجذب الثقالي. يحاول قانون الجذب الثقالي تحقيق النظام المطلق بضم الأجسام الكونية إلى بعضها على العكس يسعى القانون الثاني إلى تفكيك البنى الكونية وبعثرتها . تدور كل 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:

${\overline {E}}_{k}={\begin{matrix}{\frac {3}{2}}\end{matrix}}kT$, where $k=nR$ (n= number of moles, R= ideal gas constant).

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

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

(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.

 انظر أيضا

• صفر مطلق
• درجة حرارة الجسم (تنظيم حراري)
• سلسيوس
• درجة حرارة اللون
• عشوائية داخلية (إنتروپية)
• فارنهايت
• حرارة

• توصيل حراري
• Heat convection
• ITS-90
• ISO 1
• Kelvin
• Maxwell's demon
• Orders of magnitude (temperature)

• Rankine scale
• إشعاع حراري
• درجة حرارة ثرموديناميكية (مطلقة)
• ترمومتر
• Thermography
• النقطة الثلاثية
• Wet Bulb Globe Temperature

 وصلات خارجية

ابحث عن درجة الحرارة في
قاموس المعرفة.

• 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.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)