مقالات فيزيائية حول الظواهر الطبيعية وما إلى ذلك المتعلقة بالفيزياء.
فهم الأنظمة والبيئة
النظام هو جسم أو مجموعة أجسام قيد الدراسة. أما الأجسام الأخرى في الكون فتُسمى البيئة. وعادةً ما يُفصل النظام عن بيئته بواسطة "حاجز/فاصل".
على سبيل المثال، لنفترض أننا نريد دراسة الماء داخل ترمس. يُمثل الماء الموجود داخل الترمس النظام، بينما يُمثل الهواء والأجسام الأخرى الموجودة خارجه البيئة. تعمل جدران الترمس، الزجاج الداخلي والبلاستيك الخارجي، كفاصل بينهما. يُعد ترمس الماء مثالًا على ذلك.
فهم الحرارة الكامنة
إذا أدخلتَ ترمومتر زئبقي في وعاء يحتوي على خليط من الماء البارد والثلج، ستلاحظ أن سطح الزئبق يبقى ساكنًا بعد غمره. يتوقف سطح الزئبق عن الحركة عند بلوغه درجة انصهار الماء أو درجة تجمده (0 درجة مئوية). إذا كان الوعاء مفتوحًا، تنتقل الحرارة من الهواء ذي درجة الحرارة الأعلى إلى خليط الماء والثلج ذي درجة الحرارة الأقل. تتسبب الحرارة الإضافية من الهواء في ذوبان الثلج. هل تتغير درجة حرارة خليط الماء والثلج مع ذوبان الثلج؟ لا، لا تتغير درجة حرارة خليط الماء والثلج مع ذوبان الثلج.
الحرارة النوعية (c) هي كمية الحرارة (Q) اللازمة لرفع درجة حرارة (T) وحدة كتلة (m) من جسم ما بمقدار درجة واحدة. صيغة حساب الحرارة النوعية هي:
النظام الدولي للوحدات J/Kg K.
تتغير الحرارة النوعية لجسم ما بتغير درجة حرارته. إذا لم يكن التغير في درجة الحرارة كبيرًا جدًا، يمكن اعتبار القيمة ثابتة. فيما يلي قيم الحرارة النوعية (c) لعدة أجسام عند ضغط جوي واحد ودرجة حرارة 20 درجة مئوية (تم الحصول عليها تجريبيًا).
عند تلامس جسمين مختلفي الحرارة، تنتقل الحرارة تلقائيًا من الجسم ذي الحرارة الأعلى إلى الجسم ذي الحرارة الأقل. ويتوقف انتقال الحرارة عند وصول الجسمين إلى حالة التوازن الحراري . بمعنى آخر، يُحدث انتقال الحرارة تغيرًا في درجة حرارة الجسمين المتلامسين. وبناءً على هذا الشرح الموجز، نستنتج أن الحرارة (Q) مرتبطة بالجسم والتغير في درجة حرارته (ΔT). لكل جسم كتلة (m)، كما يختلف نوع الجسم.
وحدة قياس الحرارة هي السعرة الحرارية (kal). السعرة الحرارية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء درجة مئوية واحدة ( من 14,5 درجة مئوية إلى 15,5 درجة مئوية). تختلف كمية الحرارة اللازمة باختلاف درجة حرارة الماء . فلنفس كمية الحرارة، لا يحدث ارتفاع في درجة حرارة الماء بمقدار درجة مئوية واحدة إلا بين 14,5 درجة مئوية و15,5 درجة مئوية. أما وحدة قياس الحرارة الأكثر شيوعًا، وخاصةً للتعبير عن القيمة الغذائية، فهي الكيلو كالوري (kcal). 1 كيلو كالوري = 1000 سعرة حرارية. ويُطلق عليها أيضًا اسم 1 كالوري (K). وحدة قياس الحرارة في النظام البريطاني هي وحدة الحرارة البريطانية (Btu). 1 وحدة حرارة بريطانية = كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء درجة فهرنهايت واحدة ( من 63 درجة فهرنهايت إلى 64 درجة فهرنهايت).
فهم الشذوذات المائية
يتمدد كل جسم (يزداد حجمه) عند ارتفاع درجة حرارته، وينكمش (ينقص حجمه) عند انخفاضها. يتمدد الماء أيضًا عند ارتفاع درجة حرارته وينكمش عند انخفاضها، باستثناء نطاق درجات الحرارة بين 0 و4 درجات مئوية . فبين هاتين الدرجتين ، ينكمش حجم الماء مع ارتفاع درجة حرارته. وإذا سخّنّا الماء عند درجة حرارة 0 مئوية، فكلما زادت سخونته ، زاد انكماش حجمه. ويتوقف الانكماش عند وصول الماء إلى درجة حرارة 4 درجات مئوية. أما عند درجات حرارة أعلى من 4 درجات مئوية، فيزداد حجم الماء (يتمدد) مع ارتفاع درجة حرارته. وعلى العكس، يتمدد الماء (يزداد حجمه) عند انخفاض درجة حرارته من 4 إلى 0 مئوية . تُعرف هذه الخاصية الفريدة للماء باسم "شذوذ الماء".
إذا دققت النظر في الكابلات الكهربائية، ستلاحظ أنها منحنية للأسفل بسبب ارتخائها. لماذا تُرخى الكابلات الكهربائية عمدًا بدلًا من شدها فقط؟ معظم أسطح المنازل في فلوريس ولمباتا، شرق نوسا تينجارا، مصنوعة من الزنك. تُصدر أسطح الزنك ضجيجًا نهارًا وليلًا. لماذا يُصدر الزنك ضجيجًا؟ إذا كنت تعيش في جزيرة جاوة، فربما تكون قد لاحظت وجود فجوات عند وصلات السكك الحديدية. ما وظيفة هذه الفجوات؟ هناك العديد من الأمور التي يمكنك التفكير فيها والاستفسار عنها فيما يتعلق بموضوع التمدد.
عند معايرة أنواع مختلفة من موازين الحرارة، كمقياس حرارة زئبقي ومقياس حرارة كحولي مثلاً، تتطابق تدريجات كلا المقياسين عند درجتي حرارة 0 درجة مئوية (أو 32 درجة فهرنهايت) و100 درجة مئوية (أو 212 درجة فهرنهايت). وإذا استخدمنا كلا المقياسين لقياس درجة حرارة الهواء، فلن تكون القراءات متطابقة بالضرورة. فقد يُشير مقياس الحرارة الزئبقي إلى 48 درجة مئوية، بينما يُشير مقياس الحرارة الكحولي إلى 46 درجة مئوية. ويعود ذلك إلى اختلاف معدل تمدد الزئبق والكحول. وينطبق الأمر نفسه على أنواع أخرى من موازين الحرارة، كالموازين ثنائية المعدن، وغيرها. وتعتمد دقة قياس درجة الحرارة بهذه الطريقة بشكل كبير على خصائص المواد المستخدمة.
مقياسا سيليزيوس وفهرنهايت هما مقياسان مختلفان لدرجة الحرارة. إذا تم قياس درجة حرارة جسم ما وعُبِّر عنها بوحدة سيليزيوس، ثم أردنا التعبير عنها بوحدة فهرنهايت، فإننا نحول من سيليزيوس إلى فهرنهايت. في هذا القسم، سنتعلم كيفية تحويل درجات الحرارة.
عند ضغط جوي واحد، تكون درجة حرارة نقطة تجمد الماء لمقياس حرارة سيليزيوس = 0 oج، بينما مقياس فهرنهايت = 32 oو- على العكس من ذلك، عند ضغط جوي واحد، تكون درجة حرارة نقطة التبخر لمقياس حرارة سيليزيوس = 100 oج، بينما مقياس فهرنهايت = 212 oو. انظر إلى الصورة أدناه!
أنواع مقاييس الترمومتر
لكي يُستخدم مقياس الحرارة لقياس درجة الحرارة، يجب تحديدها على مقياس. من المقاييس الشائعة الاستخدام مقياس سيليزيوس ومقياس فهرنهايت. يُعد مقياس سيليزيوس الأكثر شيوعًا في إندونيسيا، ويُعرف أيضًا باسم المقياس المئوي. المئوي = مئة درجة. أما مقياس فهرنهايت، فيُستخدم غالبًا في الولايات المتحدة أو الدول ذات الشتاء البارد. يُعد المقياس المطلق، أو مقياس كلفن، مقياسًا مهمًا للغاية في العلوم، وسنتناوله لاحقًا.
يستخدم مقياسا سيليزيوس وفهرنهايت نقطتي تجمد وغليان الماء كنقطتين ثابتتين. نقطة تجمد المادة هي درجة الحرارة التي يكون عندها الطوران الصلب والسائل في حالة اتزان حراري . وعلى العكس، نقطة غليان المادة هي درجة الحرارة التي يكون عندها الطوران السائل والغازي في حالة اتزان حراري. تتغير نقطتا التجمد والغليان بتغير ضغط الهواء، لذا يجب تحديد ضغط الهواء أولاً. نستخدم عادةً الضغط القياسي، وهو 1 ضغط جوي (atm). الضغط الجوي هو وحدة قياس ضغط الهواء.