الحرارة ودرجة الحرارة

تعريف
الحرارة في الفيزياء والكيمياء إحدى أشكال الطاقة، يترافق معها حركة الذرات أو الجزيئات أو أي جسيم يدخل في تركيب المادة. ممكن توليد الحرارة عن طريق:
التفاعلات الكيماوية مثل الاحتراق،
أو التفاعلات النووية كالاندماج النووي الحادث في الشمس
أو الإشعاع الكهرطيسي كالحاصل في المواقد الكهرطيسية
أو الحركة مثل احتكاك أجزاء الآلات.
تتنقل الحرارة بين الأجسام بالإشعاع والتوصيل حراري والحمل الحراري. وتنتقل الحرارة تلقائيا من درجة الحرارة الأعلى للأدنى. فدرجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أوبرودته، وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس.
تسمى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة بالسعة الحرارية. السعة الحرارية لكل مادة محددة ومعروفة. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة ما درجة واحدة تسمى بالحرارة النوعية وهي تعتمد على حالة المادة وتركيبها الكيماوي. عند احتراق الوقود تصدر كمية من الحرارة تعرف باسم القيمة الحرارية للوقود وتقدر عادة بالوحدة الحرارية البريطانية. خلال عملية تحول مادة نقية من حالة إلى أخرى يتم فقد حرارة أو اكتسابها دون أي تغير في درجات الحرارة وتعرف كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة إبان عملية التحول باسم الحرارة الكامنة وتعتمد بشكل مباشر على نوعية المادة وحالتها الابتدائية والنهائية.
ما هي درجة الحرارة
نقول أن الجو حار أو بارد، نعيش في مدى حراري يتراوح ما بين 10 درجات مئوية إلى 30 درجة مئوية. ونعتبره معقولا ومقبولا فإذا زادت درجات الحرارة أو نقصت عن ذلك نحتاج إلى وسائل تساعدنا على الشعور بالوضع الطبيعي فنلبس ثيابا ثقيله للتدفئه أو خفيفه في الحر.
ولكن ماذا نعني بالضبط بدرجات الحرارة ؟
ما هي الحرارة؟
الحرارة نفسها هي شكل من أشكال الطاقة، وهي تحديدا طاقة حركية تحملها جزيئات المادة على شكل اهتزازات. وحركات لهذه الجزيئات وبأشكال مختلفة. فالجزئ المكون من ذرتين يمكنه أن يتحرك بثلاثة كيفيات:
1- إهتزاز تجاذب وتنافر بين الذرتين.
2- حركة دورانيه حول محور معين تدور الذرتان حوله.
3- حركه إنتقاليه للجزئ ككل في الوسط المحيط.
وبذلك فالطاقة التي يختزنها أو يحملها هذا الجزئ تكون أكبر إذا كان متحركا بسرعة كبيرة أو يدور حول محوره أو يهتز بتردد كبير. ويمكننا زيادة هذه الطاقه بالتسخين. ولكن ما معنى التسخين؟
ما معنى التسخين؟
عند ما تهتز شحنة كهربائية فإنها تطلق موجة كهرمغناطيسيه يتناسب طول موجتها وبالتالي ترددها مع تردد اهتزاز هذه الشحنة. والعملية العكسية ممكنة كذلك. فالجزئ الذي يتعرض لموجة كهرمغناطيسية بتردد معين (يتوافق مع المدى الذي يمكنه الاهتزاز ضمنه) يمتص طاقة هذه الموجة ويهتز بتردد أكبر مما كان عليه وهنا نقول أن الطاقة التي يحملها هذا الجزيء أصبحت أكبر وهذا ما يعنيه تسخين جزيء واحد. فإذا كنت تتحدث عن طاقة عدد أفوغادرو من الجزيئات (ا مول) أي حوالي 2310 جزيئا فإن عليك جمع الزيادة في طاقة كل جزئ لتحصل على الزيادة الكلية في طاقة هذا المول من الجزيئات. ونقول أن لكل مادة سعة حرارية وأن بعض المواد يمكنها إختزان طاقة حرارية كبيرة في حين أن البعض الآخر لا يمكنه ذلك. ويعود الأمر إلى التردد الذي يهتز به جزيء هذه المادة وإلى طاقة الحركة الدورانيه والإنتقاليه لهذا الجزيء.
الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة
ما الفرق بين “الحرارة” و”درجة الحرارة”؟
إذا كنا ندرس العالم المادي بطريقة سريعة، سيبدو لنا أن “الحرارة” و”درجة الحرارة” هما نفس الشيء . فعندما نقوم بإشعال الفرن، سنقول إن حرارته ترتفع، وفي نفس الوقت درجة حرارته ترتفع . ومن هذا المنطلق فإن الخلط بين “الحرارة” و”درجة الحرارة” في هذا النوع من الأغراض العامة سهل، ولكن إذا كنا نعمل في مجال الفيزياء، فهناك العديد من الاختلافات بين الحرارة ودرجة الحرارة حيث تقاس الحرارة بالجول، والجول يمثل كمية الطاقة التي تنقلها الحرارة . بينما يمثل الواط معدل انتقال هذه الطاقة الحرارية . ف “الواط” يساوي جول/ثانية .
وتقاس “درجة الحرارة” بمجموعة متنوعة من وحدات القياس، وأكثر ثلاث وحدات استخداماً هي الكلفن، السيليزيوس والفهرنهايت، والكلفن مقياس علمي أول يستند الى مفهوم الصفر المطلق، بينما السيليزيوس يستخدم فى أنحاء العالم لقياس درجات الحرارة العلمية والاستهلاكية، ويقتصر استخدام الفهرنهايت على الولايات المتحدة وبعض الدول الأخرى، وتقيس “الحرارة” الطاقة الكلية فى قطعة معينة من المادة . وهذا يتضمن الطاقة الحركية الناشئة من حركة الجزيئات إضافة لطاقة الوضع المخزنة في الرّوابط الجزيئية . وتعتبر الحرارة إحدى صور الطاقة التي دائماً ما تتحرك، في حين تقيس “درجة الحرارة” الطاقة الحركية الناتجة عن الجزيئات المتحركة فقط .
و”الحرارة” و”درجة الحرارة” تحكمهما قوانين الديناميكا الحرارية، وهذه القوانين تنصّ على أن الطبيعة تسعى باستمرار إلى توزيع الطاقة فى النظام المغلق بالتساوي، وهو الكون فى هذه الحالة فيمكننا مثلاً تخيل الطاقة كتيار يتدفق من منحدر، متنقلاً من تجمع الى آخر حتى يتم ملؤها جميعاً بالتساوي .
وتقوم الطبيعة بنقل الطاقة وفقاً لطريقتين مختلفتين، إمّا باستخدام الشّغل أو الحرارة، وأحد أبسط التّعاريف لمعنى الحرارة هو نقل الطاقة من جسم الى آخر، فإذا وضعنا جسماً ذا درجة حرارة عالية بجانب جسم آخر درجة حرارته منخفضة فإن الطاقة ستنتقل من الجسم الأعلى حرارة إلى الجسم الأقل حرارة حتى تتساوى درجة حرارة الجسمين، ويمكن ملاحظة هذه الظاهرة عندما يبرد الطعام السّاخن إلى درجة حرارة الغرفة أو عندما نمسك القلم لفترة طويلة فإنّه يسخن .
وترتبط عملية نقل الطاقة على شكل حرارة بدرجة الحرارة، فكلما استمرت الحرارة بنقل الطاقة من جسم الى آخر، فسوف تزيد سرعة الجزيئات التي تمصّ الحرارة في الجسم، وبالتالي تزداد الطاقة الحركية للجسم . ومن المعروف أنّه كلما زادت الطاقة الحركيّة للجسم تزداد درجة الحرارة، ولإيضاح الفرق بين الحرارة ودرجتها قارن بين كوب ساخن من الشاي، وحوض سباحة مملوء بالماء الدافئ . تمثل الحرارة الطاقة الحرارية، المنتقلة من جسم، درجة حرارته أعلى، إلى جسم، درجة حرارته أقلّ . ويقاس مقدار الطاقة الحرارية، المنقولة إلى أي جسم، بالسعرات الحرارية Calories . ويعرَّف السعر الحراري بأنه مقدار الحرارة (الطاقة)، اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء، درجة مئوية واحدة . مثلاً، لو رفعت درجة حرارة جراماً من الماء، من 30 إلى 35 درجة مئوية، فإن ذلك يعني، أن جرام الماء، زود بخمسة سعرات حرارية . وبالمثل، يلزم خمسة سعرات حرارية، لرفع درجة حرارة خمسة غرامات من الماء، من 30 إلى 31 درجة مئوية . وفي المقابل، يلزم التخلص من خمسة سعرات حرارية، لخفض درجة حرارة جرام واحد من الماء، من 35 إلى 30 درجة مئوية، مثلاً، أو لخفض درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 35 إلى 34 درجة مئوية .
أما الحرارة فهي طاقة الجسم المكتسبة من تحرك جزيئاته . إن جميع المواد مكونة من جزيئات وذرات، دائمة الاهتزاز والحركة، ولكنها متفاوتة السرعة، في المادة الواحدة، فلو أمكن رؤية جزيئات غاز الأكسجين، مثلاً، في حاوية، لتبيّن أن بعضها لا يكاد يتحرك، والبعض الآخر يتحرك بسرعة عالية، والبعض الأكبر حركته متوسطة . ولو كانت درجة حرارة غاز الأكسجين صفراً مئوياً، فإن 3 .1% من الجزيئات، سيراوح معدل حركتها بين صفر و360 كيلومتراً، في الساعة، و7 .7% ستتجاوز سرعتها 2670 كيلومتراً، في الساعة، ونحو 91% منها، ستتراوح سرعتها بين الرقمين 360 و2670 كيلومتراً، في الساعة .
وباختصار يمكن القول إن درجة الحرارة مقياس تحرك جزيئات الجسم، أما الحرارة فهي طاقة الجسم المكتسبة من تحرك جزيئاته .

Join OUR Email List

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *