تعريف الحرارة في المادة، المكافئ الميكانيكي للحرارة، معادلة الحرارة
1. تعريف الحرارة
إذا تلامست أجسام ذات فروق في درجات الحرارة، ينتقل الحر من الأجسام ذات درجة الحرارة العالية إلى الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة. ويتوقف انتقال الحر عندما تتساوى درجة حرارة الأجسام المتلامسة. على سبيل المثال، عند مزج الماء الساخن بالماء البارد، ينتقل الحر عادةً من الماء الساخن إلى الماء البارد. وعند وضع مكواة ساخنة في الماء البارد، ينتقل الحر من المكواة إلى الماء. ويتوقف انتقال الحر عندما تتساوى درجة حرارة المكواة والماء. وعندما يضع الممرض مقياس حرارة على جسمك، ينتقل الحر من المكواة إلى الماء.
يتجه جسمك نحو الترمومتر. يتوقف انتقال الحرارة بمجرد أن تصل درجة حرارة جسمك والترمومتر إلى نفس الدرجة. إذا كان الترمومتر المستخدم من نوع الزئبق، فعندما تصل درجة حرارة جسمك والترمومتر إلى نفس الدرجة، يتوقف سطح الزئبق عن الحركة. الرقم الظاهر على سطح الزئبق هو درجة حرارة جسمك في تلك اللحظة.
وبطبيعة الحال، تنتقل الحرارة تلقائيًا من الأجسام ذات درجة الحرارة العالية إلى
الأجسام ذات درجات الحرارة المنخفضة. يميل انتقال الحرارة إلى معادلة درجة حرارة الأجسام المتلامسة. في القرن الثامن عشر، اشتبه الفيزيائيون في أن تدفق الحرارة هو حركة سائل، وهو نوع من السوائل غير المرئية (السائل مادة قابلة للتدفق، ويشمل المواد السائلة والغازية. الماء (سائل) يُعدّ سائلاً لأنه قابل للتدفق، وكذلك الهواء). يُطلق على هذا السائل اسم "السعرات الحرارية". لم تعد نظرية السعرات الحرارية مستخدمة، لأنه بناءً على نتائج التجارب، لا يمكن إثبات وجودها. في القرن التاسع عشر، تعلّم الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول (1818-1889) كيفية تسخين الماء في وعاء باستخدام عجلة تقليب.
استنادًا إلى نتائج التجربة، قارن جول بين تسخين الماء باستخدام النار. فعندما تتلامس شعلة مع وعاء ماء، تنتقل الحرارة من النار (ذات درجة الحرارة العالية) إلى الماء (ذات درجة الحرارة المنخفضة). وبعد مقارنة ارتفاع درجة حرارة الماء نتيجة التلامس مع النار بارتفاعها نتيجة الشغل المبذول بواسطة المحرك، استنتج جول أن الحرارة هي الطاقة التي تنتقل من جسم ذي درجة حرارة عالية إلى جسم ذي درجة حرارة منخفضة. الحرارة ليست طاقة (فهي ليست نوعًا محددًا من الطاقة، مثل الطاقة الحركية أو طاقة الوضع أو الطاقة الكيميائية، إلخ). الحرارة هي طاقة تنتقل نتيجة فروق درجات الحرارة. لذا، عندما تتدفق الحرارة من الأجسام ذات درجة الحرارة العالية إلى الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة، تنتقل الطاقة من الأجسام ذات درجة الحرارة العالية إلى الأجسام ذات درجة الحرارة المنخفضة. ويتوقف انتقال الطاقة عندما تصل الأجسام المتلامسة إلى نفس درجة الحرارة.
2. وحدة الحرارة والمكافئ الميكانيكي للحرارة
وحدات الحرارة هي السعرات الحرارية (يُختصر إلى سعر حراري). السعرات الحرارية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 غرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية.o (بالتحديد، من 14.5) oC ل15.5 oج). تختلف كمية الحرارة اللازمة باختلاف درجات حرارة الماء. فلكي نحصل على نفس كمية الحرارة، فإن زيادة درجة حرارة الماء بمقدار درجة مئوية واحدة تؤدي إلىo يحدث ذلك فقط بين درجات حرارة 14.5 oC ل15.5 oج. تُستخدم وحدات الحرارة غالبًا، وخاصةً للتعبير عن قيمة الطاقة الغذائية بالكيلو كالوري (kcal). 1 كيلو كالوري = 1000 سعر حراري. ومن الأسماء الأخرى 1 كيلو كالوري = 1 سعر حراري (حرف K كبير). وحدة التسخين في النظام البريطاني هي وحدة حرارية بريطانية (Btu). 1 وحدة حرارية بريطانية = كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة رطل واحد (0.45 كجم) من الماء بمقدار درجة حرارة واحدة (1 Fo). oF ل64 oF).
ترتبط الحرارة بالطاقة، لذا نحتاج إلى معرفة العلاقة بين وحدات الحرارة ووحدات الطاقة. وبناءً على التجارب التي أجراها جول وعلماء آخرون، من المعروف أن شغلًا مقداره 4.186 جولًا يعادل سعرًا حراريًا واحدًا.
1 سعر حراري = 4.186 جول
1 كيلو كالوري = 1000 سعر حراري = 4186 جول
1 وحدة حرارية بريطانية = 778 قدم (0.24 كم). رطل = 252 سعر حراري = 1055 جول
(1 سعر حراري = 4.186 جول و 1 كيلو كالوري = 4186 تسمى المكافئ الميكانيكي للحرارة)
3. معادلة الحرارة
عند تلامس جسمين يختلفان في درجة الحرارة، تنتقل الحرارة تلقائيًا من الجسم ذي درجة الحرارة الأعلى إلى الجسم ذي درجة الحرارة الأقل. ويتوقف انتقال الحرارة عند وصول الجسمين إلى حالة التوازن الحراري. ويؤدي انتقال الحرارة إلى تغيرات في درجة حرارة الجسمين المتلامسين. بناءً على هذا الشرح الموجز، يمكن استنتاج أن كمية الحرارة (Q) ترتبط بالجسم، وأن تغيرات درجة حرارته (ΔT) ترتبط بكتلته (m) ونوعه.
العلاقة بين الحرارة (Q) وتغير درجة الحرارة (ΔT)
كلما زادت الحرارة، زاد التغير في درجة الحرارة. ويمكن استنتاج أن كمية الحرارة (Q) تتناسب طرديًا مع التغير في درجة حرارة الجسم.
Q α ΔT —– المقارنة 1
العلاقة بين الحرارة (Q) وكتلة الأجسام (m)
تتناسب كمية الحرارة (Q) طرديًا مع التغير في درجة حرارة الجسم. فكلما زادت كمية الماء، زادت كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة الماء.
Q α m —– المقارنة 2
العلاقة بين الحرارة (Q) ونوع الجسم (c)
إن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما تتناسب طردياً مع نوع ذلك الجسم.
Q α c —– المقارنة 3
تُجمع المقارنات الثلاث المذكورة أعلاه في معادلة واحدة:
Q α mc ΔT
Q = mc ΔT
هذه هي معادلة الحرارة.
الوصف: Q = الحرارة (جول)، m = كتلة الجسم (كجم)، c = الحرارة النوعية (جول / كجم درجة مئوية أو كلفن)
