فيزياء

مقال حول تحويل مقاييس درجة الحرارة

مقياس سيليزيوس ومقياس فهرنهايت هما مقياسان مختلفان لدرجة الحرارة. إذا قمنا بقياس درجة حرارة جسم ما وعرضناها على مقياس سيليزيوس، ثم أردنا التعبير عنها على مقياس فهرنهايت، فإننا نحولها من مقياس سيليزيوس إلى مقياس فهرنهايت. في هذا القسم، سنتعلم كيفية تحويل مقياس درجة الحرارة.

عند ضغط جوي واحد، تكون درجة حرارة نقطة التجمد لمقياس الحرارة المئوي = 0 ^oج، بينما مقياس الحرارة بالفهرنهايت = 32 ^oو. على العكس من ذلك، عند ضغط جوي واحد، تكون درجة حرارة نقطة الغليان مقياس حرارة سيليزيوس = 100 ^oج، بينما مقياس الحرارة ذو مقياس فهرنهايت = 212 ^oF.

اقراء المزيد

مقال عن موازين الحرارة ومقاييس درجة الحرارة

1. موازين الحرارة

الأداة المصممة لقياس درجة الحرارة هي الترمومتر. توجد أنواع عديدة من الترمومترات، لكن مبدأ عملها واحد. عادةً ما نستخدم أجسامًا حرارية، وهي مواد تتغير بتغير درجة الحرارة. إذا تغيرت درجة حرارة الجسم، يتغير شكله وحجمه أيضًا. تستخدم معظم الترمومترات أجسامًا قابلة للتمدد أو الانكماش بتغير درجة الحرارة. تتكون الترمومترات الشائعة الاستخدام من أنابيب زجاجية، يوجد في مركزها الكحول أو الزئبق. عندما ترتفع درجة الحرارة، يتمدد الكحول أو الزئبق في الأنبوب، مما يزيد من طول عمود الكحول أو الزئبق. وعلى العكس، عندما تنخفض درجة الحرارة، يقل طول عمود الكحول أو الزئبق. توجد على السطح الخارجي للأنبوب الزجاجي أرقام تمثل مقياس الترمومتر. يشير الرقم الموجود عند الطرف العلوي لعمود الكحول أو الزئبق إلى قيمة درجة حرارة الجسم المراد قياسها.

اقراء المزيد

مقال عن القانون الصفري للديناميكا الحرارية

حتى الآن، لم نلاحظ سوى التوازن الحراري الذي يمر به جسمان متلامسان.

لفهم مفهوم التوازن الحراري بشكل أعمق، دعونا نستعرض ثلاثة أجسام (لنفترض الجسم أ، والجسم ب، والجسم ج). على سبيل المثال، الجسم ب والجسم ج لا يتلامسان، لكن الجسم أ يتلامس مع الجسم ب، والجسم أ يتلامس مع الجسم ج. انظر إلى الصورة أدناه. بما أن الجسم أ والجسم ب متلامسان، فهما في حالة توازن حراري، وبالتالي فإن الجسم أ والجسم ج في حالة توازن حراري أيضًا. هل الجسمان ب وج، اللذان لا يتلامسان، في حالة توازن حراري أيضًا؟ إذا اعتمدنا على المنطق فقط، يمكننا القول إن الجسمين ب وج في حالة توازن حراري، على الرغم من أنهما غير متلامسين. الجسم أ والجسم ب في حالة توازن حراري، أي أن درجة حرارة الجسم أ تساوي درجة حرارة الجسم ب.

اقراء المزيد

مقال حول تعريف درجة الحرارة والتوازن الحراري

تعريف درجة الحرارة

هل سبق لك أن لمست الجليد؟ ما هو شعورك عندما تلمسه؟ ماذا لو كان ما تلمسه نارًا؟ عندما تلمس الجليد، تشعر ببرودة يديك، وعندما تلمس النار، تشعر بحرارة يديك. ماذا تعني هذه المشاعر: ساخن، دافئ، بارد، بارد؟

يبدأ مفهوم درجة الحرارة من الإحساس بالحرارة والبرودة عبر حاسة اللمس. بناءً على ما نشعر به، نقول إن جسمًا ما أسخن من جسم آخر أو أبرد من آخر. الأجسام الساخنة لها درجات حرارة أعلى، بينما الأجسام الباردة لها درجات حرارة أقل. كلما كان الجسم أبرد، انخفضت درجة حرارته. والعكس صحيح، كلما كان الجسم أسخن، ارتفعت درجة حرارته. يُطلق على مقياس حرارة أو برودة الجسم اسم درجة الحرارة. في موضوع نظرية الحركة الجزيئية للغازات، ستفهم تعريف درجة الحرارة بشكل أعمق؛ أي ما يحدث لجزيئات الجسم بحيث يمكن الشعور به ساخنًا أو دافئًا أو باردًا.

اقراء المزيد

مقال عن حالات المادة (بناءً على الخصائص المجهرية)

في حياتنا اليومية، نصادف عادةً ثلاث حالات مختلفة للمادة. فهناك المواد الصلبة (مثل الحجارة والحديد وغيرها)، والسوائل (مثل الماء والبنزين وغيرها)، والغازات (مثل الهواء وغيرها). ويمكن تمييز هذه الحالات الثلاث بناءً على قدرتها على الحفاظ على شكلها وحجمها.

تحافظ المواد الصلبة عادةً على شكل وحجم ثابتين. أما السوائل، فلا تحافظ على شكلها، بل تتكيف مع الوعاء الذي تشغله. على سبيل المثال، إذا وضعنا الماء في كوب، يتغير شكله ليصبح كوبًا. وإذا وضعنا الماء في حوض الاستحمام، يتغير شكله ليصبح حوضًا. عادةً ما يكون حجم السائل ثابتًا. فكوب الماء إذا وُضع في حوض الاستحمام، تبقى كمية الماء فيه كما هي. قد يتغير شكل الماء، لكن حجمه لا يتغير أبدًا. تذكر أن عدد المواد الصلبة والسائلة قد يتغير إذا تعرضت لقوة كافية.

اقراء المزيد

مقال عن النظرية الذرية والنظرية الحركية

النظرية الذرية

لآلاف السنين، اعتقد الإغريق القدماء أن كل مادة نقية (كالذهب والحديد وغيرهما) تتكون من ذرات. ووفقًا لهم، إذا قُطِّعت مادة نقية إلى قطع صغيرة، ثم قُطِّعت تلك القطع الصغيرة مرة أخرى، ثم قُطِّعت مرة أخرى... وهكذا، فستبقى أصغر القطع التي لا يمكن تقطيعها مرة أخرى. تُسمى هذه القطع الصغيرة التي لا يمكن تقطيعها مرة أخرى بالذرات. والذرة تعني "غير قابلة للتقسيم" (باللغة اليونانية).

في ذلك الوقت، كان يُعتقد أن الذرة غير قابلة للانقسام. ولكن لاحقًا، اكتشف بعض العلماء الإلكترونات ونوى الذرات (البروتونات والنيوترونات)، مما دحض الافتراض القائل بعدم إمكانية انقسام الذرات. إذن، تتكون الذرات من إلكترونات (سالبة الشحنة) ونوى ذرية. تدور الإلكترونات حول النواة. وداخل النواة، توجد البروتونات (موجبة الشحنة) والنيوترونات (متعادلة الشحنة).

اقراء المزيد

مقال عن تغيرات الطور، درجة الحرارة الحرجة، النقطة الثلاثية

في مناقشة قانون الغاز المثالي، تم توضيح أن هذا القانون يصف سلوك الغاز الحقيقي بدقة فقط عندما لا يكون ضغطه وكثافته مرتفعين للغاية. أما إذا كان الضغط والكثافة مرتفعين بما يكفي، فإن القانون يعطي نتائج غير دقيقة، وكذلك عندما تقترب درجة حرارة الغاز الحقيقي من نقطة الغليان. ويرتبط هذا بالتفاعلات التي تحدث بين جزيئات الغاز الحقيقي. يتناسب ضغط الغاز عكسيًا مع حجمه. فعندما يكون ضغط الغاز مرتفعًا بما يكفي، يقل حجمه. وبسبب انخفاض حجم الغاز، تتقارب المسافة بين جزيئاته، مما يؤدي إلى تجاذبها. يشبه الأمر وضع قطعة من الحديد على مغناطيس؛ فإذا كانت المسافة بينهما كبيرة، لا يستطيع المغناطيس جذب الحديد، أما إذا كانت قريبة، فإنه ينجذب إليه.

اقراء المزيد

فان دير فالس هو اسم عالم الفيزياء الهولندي، يوهان دي فان دير فالس (1837-1923). معادلة حالة فان دير فالس هي معادلة حالة للغاز، تشبه معادلة حالة الغاز المثالي. الفرق هو أن معادلة حالة الغاز المثالي لا تُعطي نتائج دقيقة إذا كان ضغط وكثافة الغاز الحقيقي مرتفعين بدرجة كافية، بينما تُعطي معادلة حالة فان دير فالس نتائج أكثر دقة.

يعود أصل هذه المعادلة إلى فان دير فالس، الذي أدرك قصور معادلة الحالة المثالية. قام فالس بتعديل معادلة حالة الغاز المثالي، بإضافة عدة عوامل تؤثر أيضاً على حالة الغاز الحقيقي، عندما يكون ضغط وكثافة الغاز الحقيقي مرتفعين.

اقراء المزيد

يمكن تفسير عملية التبخر باستخدام النظرية الحركية. فجزيئات الماء، مثل جزيئات الغاز، تتحرك أيضًا. والفرق هو أن جزيئات الماء لا تتشتت لأن قوى التجاذب بينها تُبقيها متماسكة. في المقابل، تكون قوى التجاذب بين جزيئات الغاز ضعيفة، فلا يمكنها الاندماج. وعندما تتحرك جزيئات الماء، فإنها تمتلك سرعة. فهناك جزيئات ماء تتحرك بسرعات عالية، وهناك جزيئات أخرى تتحرك بسرعات منخفضة. ويشبه توزيع سرعة جزيئات الماء توزيع ماكسويل.

يحدث التبخر عندما تكون سرعة جزيئات الماء كبيرة بما يكفي بحيث لا تستطيع قوى التجاذب بينها الحفاظ على تماسكها. وكما هو الحال مع الصواريخ المتجهة إلى الفضاء، فإن سرعة الصاروخ تكون كبيرة بما يكفي بحيث لا تستطيع جاذبية الأرض تثبيته على سطحها. تجدر الإشارة إلى أن الجزيئات ذات السرعات العالية فقط هي التي تستطيع الإفلات من قوى التجاذب بينها، بينما تبقى الجزيئات ذات السرعات المنخفضة متماسكة كالماء.

اقراء المزيد

الغليان عملية تحول السائل إلى غاز. يحدث الغليان عندما يتساوى ضغط بخار الماء المشبع مع ضغط الهواء (ضغط الهواء = الضغط الجوي). سنتناول هنا غليان الماء فقط. يتناسب ضغط بخار الماء المشبع طرديًا مع درجة حرارة الماء، فكلما ارتفعت درجة حرارة الماء، ارتفع ضغط بخار الماء المشبع. عند تسخين الماء، تظهر فقاعات صغيرة عادةً في قاع الوعاء. يشير وجود الفقاعات إلى تحول السائل إلى غاز. إذا كان ضغط بخار الماء المشبع داخل الفقاعة أقل من ضغط الهواء الخارجي، فإن الفقاعة ستنكمش وتتلاشى قبل وصولها إلى السطح. تتلاشى الفقاعات لأن قوة دفع الهواء الخارجي أكبر من قوة دفع البخار داخل الفقاعة. ضغط الهواء الخارجي أعلى من ضغط البخار داخل الفقاعة، لذا فإن قوة دفع الهواء الخارجي أكبر (P = F / A).

اقراء المزيد