درجة حرارة
ما هى؟
هي مؤشر على كمية الطاقة الحرارية التي يختزنها الجسم ومؤشر على مدى حركية ذراته حيث يمكن إيجاد معادلة تصل بين الطاقة الحركية لجزيئات أو ذرات جسم ما ودرجة حرارته، هناك العديد من الوحدات لقياس درجة الحرارة مثل الكلفن و السيلزيوس و درجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أو برودته، وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس،
وحدات قياس الحرارة
- الكلفن وهو المقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI وهو مقياس كثير الستعمال في الميادين العلمية، ويجب استخدامه إذا أردت حساب نسب من درجة الحرارة، السيليزية C (درجة مئوية) وهو المقياس الرئيسي المعتمد في حياتنا اليومية في غالبية دول العالم،
- الفهرنهايت F وهو المقياس المعتمد في الولايات المتحدة الأمريكية،
- درجة الحرارة المطلقة وهي كلفن،
سعة حرارية
عندما تنتقل الطاقة من الجسم أو إلية في صورة حرارة فقط فإن حالة الجسم تتغير، ويعتمد مقدار التغير على المحيط والجدران التي تفصل بين الأجسام، يشمل هذا التغير التفاعلات الكيميائية وزيادة الضغط وزيادة درجة الحرارة وتغير الطور ولكل نوع تغير هناك سعة حرارية وهي النسبة بين الحرارة المنتقلة إلى مقدار التغير في هذه الخاصية، على سبيل المثال، فإذا كان التغير عبارة عن زيادة في درجة الحرارة عند ثبوت الحجم مع عدم وجود تغير في الطور أو تغيرات كيميائية فإنه ينتج عنه ارتفاع في درجة حرارة الجسم وزيادة الضغط،
مقدار الحرارة المنتقلة ΔQ مقسومة على التغير في درجة الحرارة ΔT ينتج عنه CV وهي السعة الحرارية للجسم عند ثبوت الحجم،
C V = Δ Q Δ T إذا تم قياس السعة الحرارية لكمية مادة، فإن السعة الحرارة هي مقدار الحرارة اللازمة لزيادة درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة لوحدة الكتلة، على سبيل المثال لرفع درجة حرارة الماء درجة واحدة كلفن فإننا نحتاج لكمية حرارة مقدارها 4186 جول لكل كجم،
C V = Δ Q Δ T
ترمومتر بمقياس سليزيوس لقياس درجة الحرارة بفصل الشتاء وهي -17 درجة سليزيوس
يتم قياس درجة الحرارة باستخدام مقياس الحرارة والذي يعود استخدامه للقرن الثامن عشر عندما قام غابرييل فهرنهايت بتكييف مقياس الحرارة ومقياسه وتم تطويره بواسطة أوول رومر، ما زال مقياس فهرنهيت مستخدم في الولايات المتحدة الأمريكية للتطبيقات غير العملية،
يتم قياس درجة الحرارة باستخدام مقياس الحرارة الذي تتم معايرته إلى مقاييس مختلفة، في معظم أنحاء العالم يتم معايرته طبقا لمقياس السليزيوس،يقيس معظم العلماء درجة الحرارة بمقياس سليزيوس ودرجة حرارة الديناميكا الحرارية بمقياس كلفن ( 0K = −273،15°C أو درجة الصفر المطلق)،
وحدات
إن الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات هي الكلفن يرمز لها بالرمز K،
يمكننا استخدام السليزيوس لكل التطبيقات اليومية حيث تشير درجة صفر سليزيوس إلى درجة تجمد الماء بينما تشير 100 درجة سليزيوس إلى درجة غليان الماء عند مستوى سطح البحر، حيث أنه هناك قطرات من السائل تكون متواجدة في السحب عند درجات حرارة أقل من صفر سليزيوس فإننا نشير إلى صفر سلزيوس أنه درجة الحرارة التي يبدأ الثلج عندها في الذوبان،
يتم تعريف مقياس كلفن وسليزيوس بنقطتين ثابتتين وهما الصفر المطلق والنقطة الثلاثية حسب معايير فيينا لمياه المحيط،
الصفر المطلق هو صفر كلفن ويساوي -273،15 سليزيوس، النقطة الثلاثية للماء هي نقطة الطاقة الصفرية،
تعرف المادة التي تكون في الحالة الأرضية لها بدرجة حرارة 273،16 كلفن و 0،01 سليزيوس،
في الولايات المتحدة، فإن مقياس فهرنهايت واسع الإنتشار، في هذا المقياس فإن درجة تجمد الماء تساوي 32 فهرنهايت ونقطة الغليان تساوي 212 فهرنهايت، ما زال مقياس رانكن يستخدم في الهندسة الكيميائية في الولايات المتحدة،
نظرية حركة الغازات
فهم تأثير درجة الحرارة على الغاز يمكن توضيحها نظريا من نظرية الحركة للغازات،
قام كل من ماكسويل وبولتزمان بتطوير نظرية الحركة لفهم درجة حرارة الغازات،
توضح هذه النظرية أيضا قانون الغاز المثالي والسعة الحرارية للغازات النبيلة،
يعتمد قانون الغاز المثالي على العلاقة بين الضغط p والحجم v ودرجة الحرارة T، نص قانون الغاز المثالي:
يمكننا قانون الغاز المثالي من قياس درجة حرارة الغاز بالمقياس المطلق باستخدام مقياس حرارة الغاز، يمكن تعريف درجة الحرارة أنها الضغط بالبساكل لواحد مول من الغاز في وعاء حجمه 1 متر مكعب مقسوما على ثابت الغاز،
تفترض نظرية الحركة أن الضغط ينشأ عن القوة الناتجة عن حركة الذرات واصطدامها بجدران الوعاء وعليه قام بولتزمان باستنتاج أن كل الطاقة تكون ناتجة عن الطاقة الحركية،
ومن هذا فإن دالة توزيع الاحتمال ،متوسط طاقة الحركة، للغاز المثالي:
E k = 1 2 m v r m s 2 = 3 2 k T
حيث K هو ثابت بولتزمان وهو خارج قسمة ثابت الغاز المثالي على عدد أفوجادرو، vrms هو جذر مربع السرعة المتوسطة، يوضح قانون الغاز المثالي أن الطاقة الداخلية تتناسب طرديا مع درجة الحرارة،
القانون الصفري في الديناميكا الحرارية
عند حدوث اتصال بين جسمين فإن هناك انتقال للطاقة بين الجمسين في صورة حرارة من الجسم الساخن للجسم البارد إلى أن يصل كلاهما لحالة الإتزان الحراري حيث يتوقف انتقال الحرارة بين الجسمين وتصبح حالة الجسمين ثابتة،
ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه إذا كان هناك جسمين في توازن حراري مع جسم ثالث فإن الجسمين يكونان في حالة إتزان مع بعضهما،
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
في الفقرة السابقة فإنه تم تعريف خاصية محددة لدرجة الحرارة بالقانون الصفري، يمكننا أيضا تعريف درجة الحرارة بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي يتعامل مع الإنتروبيا، ينص القانون الثاني أنه لأي أجراء يكون هناك زيادة في الإنتروبيا أو على الأقل تظل ثابتة،
لقد تم التوضيح سابقا ان درجة الحرارة تتحكم في انتقال الحرارة بين نظامين وقد تم التوضيح أن هناك دائما زيادة في الإنتروبي، إنه من المتوقع أن هناك علاقة بين درجة الحرارة والإنتروبيا، ولكي نجد هذه العلاقة فإننا أولاً نجد العلاقة بين الحرارة، الشغل ودرجة الحرارة، المحرك الحراري هو جهاز لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، الشغل الناتج من المحرك الحراري يمكن حسابه من حساب الفرق بين الحرارة الداخلة إليه عند درجة حرارة عالية qH والحرارة المهدرة عند درجة الحرارة المنخفضة qC، كفاءة المحرك يتم حسابها من العلاقة:
efficiency = w c y q H = q H − q C q H = 1 − q C q H ( 4 )
حيث wcy هو الشغل لكل دورة، تعتمد الكفاءة على qC/qH، ولأن qC و qH يعبران عن الحرارة المنتقلة عند درجات الحرارة Tc و TH على التوالي، فإن qC/qH هي دالة في درجات الحرارة،
