Yلقد قمت بالفعل بدراسة كيفية تصادم الأجسام وتبادل الطاقات الحركية. على سبيل المثال، العديد من الجزيئات الموجودة في الغاز لها طاقات حركية خطية ودورانية. قد تحتوي الجزيئات أيضًا على طاقة محتملة في اهتزازاتها وانحناءاتها. تصطدم جزيئات الغاز ببعضها البعض وبجدران الوعاء الخاص بها، مما يؤدي إلى نقل الطاقة فيما بينها في هذه العملية. هناك العديد من الجزيئات التي تتحرك بحرية في الغاز، مما يؤدي إلى العديد من الاصطدامات. لذلك، من المناسب مناقشة الطاقة الإجمالية للجزيئات ومتوسط ​​الطاقة لكل جزيء. تسمى الطاقة الإجمالية للجزيئات بالطاقة الحرارية، ويرتبط متوسط ​​الطاقة لكل جزيء بدرجة حرارة الغاز.

لقياس درجة الحرارة نستخدم مقياس الحرارة. تستفيد العديد من موازين الحرارة من حقيقة أن المواد تتمدد عادةً مع زيادة درجة الحرارة. على سبيل المثال، مقياس الحرارة الزئبقي الشائع الموجود في الزجاج، والذي يتكون من لمبة زجاجية مملوءة بالزئبق متصلة بأنبوب شعري. عندما يتم تسخين الزئبق، فإنه يتمدد في الأنبوب الشعري، ويتناسب مقدار التمدد مع التغير في درجة الحرارة. يتم وضع علامة على الجزء الخارجي من الزجاج بمقياس مناسب لقراءة درجة الحرارة.

موازين درجة الحرارة

تم تصميم عدد من مقاييس درجة الحرارة المختلفة، وهناك خياران شائعان هما المقياس المئوي (المئوي سابقًا) والمقياس الفهرنهايت. تاريخيًا، تم تحديد كلا المقياسين من خلال تعيين نقطتين لدرجة الحرارة على المقياس ثم تقسيم المسافة بينهما إلى عدد من الفواصل الزمنية المتساوية.

على الرغم من استخدام مقياسي مئوية وفهرنهايت على نطاق واسع، إلا أن مقياس درجة حرارة كلفن له أهمية علمية أكبر. تم تقديمه من قبل الفيزيائي الاسكتلندي ويليام طومسون (اللورد كلفن، 1824-1907)، وتكريمًا له، تسمى كل درجة على المقياس كلفن (K).

الصفر المطلق

لنفترض أن الضغط المطلق للغاز يتم قياسه عند درجات حرارة مختلفة. إذا تم رسم النتائج على الرسم البياني للضغط مقابل درجة الحرارة، يتم الحصول على خط مستقيم. إذا تم تمديد الخط المستقيم أو استقراءه إلى درجات حرارة أقل وأدنى، فإن الخط يعبر محور درجة الحرارة عند -273.15 درجة مئوية. وفي الواقع، لا يمكن تبريد أي غاز إلى درجة الحرارة هذه، لأن جميع الغازات تسيل قبل الوصول إليها.

وفي جميع الحالات، تم العثور على خط مستقيم يصل إلى -273.15 درجة مئوية على محور درجة الحرارة، مما يشير إلى أن قيمة -273.15 درجة مئوية لها أهمية أساسية. وتكمن أهمية هذا الرقم في أنه يمثل نقطة الصفر المطلق لقياس درجة الحرارة. وتعني عبارة "الصفر المطلق" أنه لا يمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل من -273.15 درجة مئوية عن طريق التبريد المستمر للغاز أو أي مادة أخرى. إذا أمكن الوصول إلى درجات حرارة أقل، فإن المزيد من الاستقراء للخط المستقيم قد يوحي بإمكانية وجود ضغوط غازية مطلقة سلبية. مثل هذا الموقف سيكون مستحيلاً، لأن ضغط الغاز المطلق السلبي لا معنى له. وبالتالي، يتم اختيار مقياس كلفن بحيث تكون درجة حرارة الصفر فيه هي أدنى درجة حرارة يمكن الوصول إليها.

موازين الحرارة

تستفيد جميع موازين الحرارة من التغير في بعض الخواص الفيزيائية مع درجة الحرارة. تسمى الخاصية التي تتغير مع درجة الحرارة بالخاصية الحرارية. على سبيل المثال، الخاصية الحرارية لمقياس الحرارة الزئبقي هي طول عمود الزئبق، بينما في مقياس حرارة الغاز ثابت الحجم تكون ضغط الغاز. ويمكن مناقشة العديد من موازين الحرارة الهامة الأخرى وخصائصها الحرارية.

التمدد الحراري الخطي

هل سبق لك أن وجدت أن الغطاء المعدني الموجود على وعاء زجاجي محكم للغاية بحيث لا يمكن فتحه؟ أحد الحلول هو وضع الماء الساخن على الغطاء، مما يؤدي إلى ارتخائه لأن المعدن يتمدد أكثر من الزجاج. وبدرجات متفاوتة، تتمدد معظم المواد عند تسخينها وتتقلص عند تبريدها. تسمى الزيادة في أي بعد من أبعاد المادة الصلبة بالتمدد الخطي، وهو خطي بمعنى أن التمدد يحدث على طول خط ما.

التمدد الحراري الحجمي

حجم المادة العادية يزداد مع زيادة درجة الحرارة. تتصرف معظم المواد الصلبة والسوائل بهذه الطريقة. وبالقياس على التمدد الحراري الخطي، فإن التغير في الحجم يتناسب مع التغير في درجة الحرارة والحجم الأولي، بشرط ألا يكون التغير في درجة الحرارة كبيرًا جدًا.

يقال إن الجسم الذي درجة حرارته مرتفعة هو حار، وكلمة "ساخن" تذكرنا بكلمة "حرارة". تتدفق الحرارة من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة عندما يتم وضعهما على اتصال. ولهذا السبب، يبدو فنجان القهوة الساخنة ساخنًا عند اللمس، بينما يبدو كوب الماء المثلج باردًا. عندما يلمس الشخص فنجان القهوة، تتدفق الحرارة من الكوب الأكثر سخونة إلى اليد الأكثر برودة. عندما يلمس الشخص الزجاج، تتدفق الحرارة مرة أخرى من الساخن إلى البارد، وفي هذه الحالة من اليد الأكثر دفئًا إلى الزجاج البارد. إن استجابة أعصاب اليد لوصول الحرارة أو خروجها تدفع الدماغ إلى التعرف على فنجان القهوة على أنه ساخن والكوب على أنه بارد.

ما هي الحرارة بالضبط؟ كما يشير التعريف التالي، الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة، الطاقة التي تنتقل من الساخن إلى البارد:

الحرارة هي الطاقة التي تتدفق من جسم ذو درجة حرارة أعلى إلى جسم ذو درجة حرارة أقل بسبب الاختلاف في درجات الحرارة.

الحرارة التي تنتقل من الساخن إلى البارد تنشأ من الطاقة الداخلية للمادة الساخنة. الطاقة الداخلية للمادة هي مجموع الطاقة الحركية الجزيئية (الناتجة عن الحركة العشوائية للجزيئات)، والطاقة الكامنة الجزيئية (الناتجة عن القوى التي تعمل بين ذرات الجزيء وبين الجزيئات)، وأنواع أخرى من الطاقة الجزيئية. عندما تتدفق الحرارة في ظروف لا يتم فيها بذل شغل، فإن الطاقة الداخلية للمادة الساخنة تنخفض والطاقة الداخلية للمادة الباردة. على الرغم من أن الحرارة قد تنشأ من مصدر الطاقة الداخلي للمادة، إلا أنه ليس صحيحًا القول بأن المادة تحتوي على حرارة. المادة لها طاقة داخلية وليست حرارة. تشير كلمة "الحرارة" فقط إلى الطاقة التي تنتقل فعليًا من الساخن إلى البارد.

تتناول الأقسام التالية بعض تأثيرات الحرارة. على سبيل المثال، عند تحضير السباغيتي، أول ما يفعله الطباخ هو تسخين الماء. تؤدي الحرارة المنبعثة من الموقد إلى زيادة الطاقة الداخلية للمياه. ويرتبط مع هذه الزيادة ارتفاع في درجة الحرارة. وبعد فترة تصل درجة الحرارة إلى 100 درجة مئوية، ويبدأ الماء بالغليان. أثناء الغليان، تتسبب الحرارة المضافة في تغير الماء من الحالة السائلة إلى مرحلة البخار (البخار). يبحث القسم التالي في كيفية تسبب إضافة (أو إزالة) الحرارة في تغير درجة حرارة المادة. ثم يناقش العلاقة بين الحرارة وتغير الطور، مثل ما يحدث عندما يغلي الماء.

الحرارة مع تغير درجة الحرارة: السعة الحرارية النوعية

هناك حاجة إلى كميات أكبر من الحرارة لرفع درجة حرارة المواد الصلبة أو السوائل إلى قيم أعلى. مطلوب أيضًا كمية أكبر من الحرارة لرفع درجة حرارة كتلة أكبر من المادة. تنطبق تعليقات مماثلة عند انخفاض درجة الحرارة، باستثناء أنه يجب إزالة الحرارة. بالنسبة لنطاقات درجات الحرارة المحدودة، تظهر التجربة أن الحرارة $Q$ يتناسب طرديا مع التغير في درجة الحرارة $\Delta T$ وإلى الكتلة $m$. يتم التعبير عن هذين التناسبين في المعادلة، بمساعدة ثابت التناسب $c$ والتي يشار إليها بقدرة النبض المحددة للمادة.

ينص مبدأ حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم، ولكنها تتحول من شكل إلى آخر. لقد تناولنا الطاقات الحركية والمحتملة من قبل. لقد قمنا هنا بتوسيع مفهومنا للطاقة ليشمل الحرارة، وهي الطاقة التي تتدفق من جسم ذي درجة حرارة أعلى إلى جسم ذي درجة حرارة أقل بسبب الاختلاف في درجة الحرارة. ومهما كان شكلها، سواء كانت طاقة حركية أو طاقة وضعية أو حرارية، فإن الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم. تتحكم هذه الحقيقة في الطريقة التي تصل بها الأجسام عند درجات حرارة مختلفة إلى درجة حرارة التوازن عند وضعها على اتصال. إذا لم يكن هناك فقدان للحرارة في المناطق الخارجية المحيطة، فإن كمية الحرارة التي تكتسبها الأجسام الباردة تساوي كمية الحرارة التي تفقدها الأجسام الأكثر سخونة، وهي عملية تتفق مع الحفاظ على الطاقة. فقط هذا النوع من العمليات يحدث داخل الترمس. الترمس المثالي من شأنه أن يمنع أي حرارة من التسرب إلى الخارج أو إلى الداخل. ومع ذلك، يمكن أن تتدفق الطاقة على شكل حرارة بين المواد داخل الترمس إلى الحد الذي تختلف فيه درجات حرارتها؛ على سبيل المثال، بين مكعبات الثلج والشاي الدافئ. يستمر نقل الطاقة حتى يتم الوصول إلى درجة حرارة مشتركة عند التوازن الحراري.

إن نوع نقل الحرارة الذي يحدث داخل ترمس الشاي المثلج يحدث أيضًا داخل المسعر، وهو الجهاز التجريبي المستخدم في تقنية تعرف باسم قياس السعرات الحرارية. المسعر هو في الأساس حاوية معزولة. ويمكن استخدامه لتحديد السعة الحرارية المحددة للمادة.

الحرارة مع تغيرات الطور: الحرارة الكامنة

والمثير للدهشة أن هناك حالات لا يؤدي فيها إضافة الحرارة أو إزالتها إلى تغير في درجة الحرارة. فكر في كوب من الشاي المثلج الذي تم تحريكه جيدًا والذي وصل إلى التوازن الحراري. على الرغم من أن الحرارة تدخل الزجاج من الغرفة الأكثر دفئًا، إلا أن درجة حرارة الشاي لا ترتفع عن 0 درجة مئوية طالما كانت مكعبات الثلج موجودة. يبدو أن الحرارة تستخدم لغرض آخر غير رفع درجة الحرارة. في الواقع، يتم استخدام الحرارة لإذابة الجليد، وفقط عندما يذوب كل الجليد، تبدأ درجة حرارة السائل في الارتفاع.

التوازن بين مراحل المادة

في ظل ظروف محددة من درجة الحرارة والضغط، يمكن للمادة أن توجد في حالة توازن في أكثر من مرحلة في نفس الوقت. يسمى ضغط البخار الموجود في حالة توازن مع السائل ضغط بخار التوازن للسائل.

رطوبة

الهواء عبارة عن خليط من الغازات، بما في ذلك النيتروجين والأكسجين وبخار الماء. الضغط الكلي للخليط هو مجموع الضغوط الجزئية للغازات المكونة. الضغط الجزئي للغاز هو الضغط الذي سيمارسه إذا احتل وحده الحجم بأكمله عند نفس درجة حرارة الخليط. يعتمد الضغط الجزئي لبخار الماء في الهواء على الظروف الجوية. يمكن أن يكون منخفضًا حتى الصفر أو مرتفعًا مثل ضغط بخار الماء المتوازن عند درجة حرارة معينة.

لتوفير إشارة إلى كمية بخار الماء الموجودة في الهواء، عادة ما يعطي المتنبئون بالطقس الرطوبة النسبية. إذا كانت الرطوبة النسبية منخفضة للغاية، فإن الهواء يحتوي على كمية صغيرة من بخار الماء مما يؤدي إلى جفاف الجلد والأغشية المخاطية. إذا كانت الرطوبة النسبية مرتفعة للغاية، خاصة في يوم حار، فإننا نصبح غير مرتاحين للغاية وتبدو بشرتنا "لزجة".

عندما تنتقل الحرارة من أو إلى مادة ما، فإن الطاقة الداخلية للمادة يمكن أن تتغير، كما رأينا. ويصاحب هذا التغير في الطاقة الداخلية تغير في درجة الحرارة أو تغير في الطور. يؤثر انتقال الحرارة علينا بعدة طرق. على سبيل المثال، تقوم الأفران داخل منازلنا بتوزيع الحرارة في الأيام الباردة، وتقوم مكيفات الهواء بإزالتها في الأيام الحارة. تنقل أجسامنا الحرارة باستمرار في اتجاه أو آخر، لمنع الآثار الضارة لنقص الحرارة وارتفاع الحرارة. وتنشأ كل طاقتنا تقريبًا من الشمس وتنتقل إلينا عبر مسافة 150 مليون كيلومتر عبر فراغ الفضاء. توفر أشعة الشمس اليوم الطاقة اللازمة لدفع عملية التمثيل الضوئي في النباتات التي توفر طعامنا، وبالتالي الطاقة الأيضية. لقد غذت أشعة الشمس القديمة المادة العضوية التي أصبحت الوقود الأحفوري للنفط والغاز الطبيعي والفحم. نتناول هنا العمليات الثلاث التي يتم من خلالها نقل الحرارة: الحمل الحراري، والتوصيل، والإشعاع.

الحمل الحراري

عندما يتم تسخين جزء من السائل، مثل الهواء فوق النار، فإن حجم ذلك الجزء من السائل يتوسع، وتقل كثافته. وفقًا لمبدأ أرخميدس، فإن السائل المحيط الأكثر برودة والأكثر كثافة يبذل قوة طفو على السائل الأكثر دفئًا ويدفعه إلى الأعلى. ومع ارتفاع السائل الدافئ، يحل السائل البارد المحيط محله. ويتم بدوره تسخين هذا السائل البارد ودفعه إلى الأعلى. وبالتالي، يتم إنشاء تدفق مستمر، والذي يحمل الحرارة. عندما يتم نقل الحرارة عن طريق حركة الجزء الأكبر من الغاز أو السائل، يقال إن الحرارة تنتقل عن طريق الحمل الحراري. ويسمى تدفق السائل نفسه تيار الحمل الحراري.

التوصيل

أي شخص قام بقلي الهمبرغر في مقلاة معدنية بالكامل، يعرف أن المقبض المعدني يصبح ساخنًا. بطريقة ما، يتم نقل الحرارة من الموقد إلى المقبض. ومن الواضح أن الحرارة لا تنتقل عن طريق حركة الجزء الأكبر من المعدن أو الهواء المحيط، لذلك يمكن استبعاد الحمل الحراري. وبدلًا من ذلك، يتم نقل الحرارة مباشرة عبر المعدن من خلال عملية تسمى التوصيل.

إشعاع

يتم جلب الطاقة من الشمس إلى الأرض عن طريق كميات كبيرة من موجات الضوء المرئي، وكذلك عن طريق كميات كبيرة من موجات الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. تُعرف هذه الموجات باسم الموجات الكهرومغناطيسية، وهي فئة تشمل أيضًا أجهزة الميكروويف المستخدمة في الطهي وموجات الراديو المستخدمة في بث AM وFM. يشعر المتشمس بالحرارة لأن جسمه يمتص الطاقة من موجات الشمس الكهرومغناطيسية. أي شخص وقف بجانب نار مشتعلة أو وضع يده بالقرب من مصباح كهربائي متوهج شهد تأثيرًا مماثلاً. وبالتالي، فإن الحرائق والمصابيح الكهربائية تنبعث منها أيضًا موجات كهرومغناطيسية، وعندما يتم امتصاص طاقة هذه الموجات، يمكن أن يكون لها نفس تأثير الحرارة.

تسمى عملية نقل الطاقة عبر الموجات الكهرومغناطيسية بالإشعاع، وعلى عكس الحمل الحراري أو التوصيل، فإنها لا تتطلب وسطًا ماديًا. على سبيل المثال، تنتقل الموجات الكهرومغناطيسية القادمة من الشمس عبر فراغ الفضاء أثناء رحلتها إلى الأرض.