الأهداف

الأهداف

• توضح كيف ترتبط درجة الحرارة مع الطاقة الحرارية.
• تصف ثلاثة مقاييس تستخدم لقياس درجة الحرارة.
• تعرف الطاقة الحرارية.

الأهمية

انتقال الطاقة الحرارية من جسمك أو إليه يشعرك بالبرودة أو الدفء أو اعتدال الحرارة.

مراجعة المفردات

الطاقة الحركية: طاقة للجسم المتحرك، تزداد بزيادة سرعته.

المفردات الجديدة

• الطاقة الحرارية.

درجة الحرارة والطاقة الحرارية

تسخن عندما تنزل في بركة سباحة في يوم حار، وسوف تشعر بالبرودة للوهلة الأولى. أما صديقك الذي قضى بضع دقائق في الماء فسوف يخبرك أن الماء دافئ.

عندما تسبح في الماء، أو تلمس مقلاة ساخنة أو تشرب عصيرًا باردًا فإن حاسة اللمس لديك تخبرك أن هذا ساخن وذاك بارد. ولكن الكلمات: بارد ودافئ وساخن لها مستويات تختلف من شخص إلى آخر، كما تختلف بحسب الشيء الذي تصفه؛ فالشاي البارد مثلًا ليس كالماء البارد وهكذا.

درجة الحرارة

درست سابقًا أن الإحساس بسخونة جسم أو برودته يرتبط مع درجة حرارته، وهي متوسط الطاقة الحركية للجزيئات المكونة للجسم.

وتزداد درجة الحرارة بزيادة طاقة حركة الجزيئات.

كذلك ترتبط درجة حرارة الجسم مع متوسط الطاقة الحركية لجزيئاته في أثناء حركتها، وبما أن لهذه الجزيئات طاقة وضع أيضًا فإن مجموع طاقتي الوضع والحركة لجميع جزيئات الجسم تسمى الطاقة الحرارية Thermal Energy.

التمدد الحراري

لم تنتج الشقوق في الأسفلت في الشكل 1 عن زلزال، بل عن الطقس الحار؛ فلقد تمدد الأسفلت بسبب ارتفاع درجة حرارة الجو حتى تشقق.

فعند ارتفاع درجة حرارة جسم تزداد سرعة جزيئاته ويتباعد بعضها عن بعض، مما يؤدي إلى تمدد الجسم.

أما عندما يبرد الجسم فتقل سرعة جزيئاته، ويتقارب بعضها من بعض، فينكمش الجسم أو ينكمش.

تتمدد أغلب الأجسام بالحرارة، وتتقلص بالبرودة. ويعتمد مقدار تمددها أو تقلصها على نوع مادة الجسم، وعلى مقدار التغير في درجة حرارته. فالسوائل مثلًا تتمدد عادة أكثر من تمدد المواد الصلبة.

وكلما زاد التغير في درجات الحرارة زاد مقدار التمدد أو التقلص.

الشكل 1

تتمدد معظم الأجسام عندما ترتفع درجة حرارتها، وقد تمدد هذا الأسفلت في يوم حار، وتباعدت جزيئاته مما أدى إلى تشققه.

ماذا قرأت؟

لماذا تتمدد المواد عندما تزداد درجة حرارتها؟

قياس درجة الحرارة

تعتمد درجة حرارة جسم ما على متوسط الطاقة الحركية لجميع جزيئاته.

وبسبب الصغر المتناهي للجزيئات واحتواء الجسم على أعداد كبيرة جدًا منها فإن قياس الطاقة الحركية لكل جزيء بمفرده عملية مستحيلة حتى الآن.

يعد استخدام مقياس الحرارة أكثر الطرق العملية لقياس درجة الحرارة؛ إذ يعتمد عمل مقياس الحرارة على تمدد وتقلص المواد.

وأكثر المقاييس شيوعًا ذلك الذي يتكون من أنبوب زجاجي يحتوي سائلًا خاصًا لزجًا، حيث يتمدد الزئبق عند ارتفاع درجة الحرارة، فيتغير ارتفاع عمود السائل في الأنبوب تبعًا لتغير درجة الحرارة.

مقاييس درجات الحرارة

توضع تدريجات على مقياس الحرارة لتتمكن من التعبير عن درجة الحرارة باستخدام الأرقام.

ويبين الشكل 2 أكثر المقاييس استخدامًا، وهي المقياس الفهرنهايتي والمقياس السلسيوس.

فعلى المقياس الفهرنهايتي تكون درجة تجمد الماء 32°ف، ودرجة غليانه 212°ف، وتم تقسيم المسافة بين درجتي التجمد والغليان إلى 180 جزءًا متساوية.

أما على المقياس السلسيوس فتكون درجة تجمد الماء 0°س، ودرجة غليانه 100°س، وقد تم تقسيم المسافة بين درجتي التجمد والغليان إلى 100 جزء متساوية، لذلك فالدرجة السلسيوس الواحدة أكبر من الدرجة الفهرنهايتية الواحدة.

وعلى الرغم من شيوع استخدام المقياس السلسيوس، إلا أن بعض الدول لا تزال تستخدم المقياس الفهرنهايتي.

الشكل 2

تستخدم مقاييس الحرارة الشائعة، ومنها المقياس السلسيوس والمقياس الفهرنهايتي، في قياس درجة الحرارة.

مقياس الكلفن المطلق

يستخدم أحيانًا مقياس ثالث لقياس درجة الحرارة يسمى مقياس كلفن؛ حيث يمثل الصفر على هذا المقياس أقل درجة حرارة يمكن للأجسام أن تقترب منها، وتعرف بالصفر المطلق.

ووفقًا لمقياس كلفن المطلق، فإن درجة تجمد الماء هي 273 ك، ودرجة غليانه 373 ك.

وقد تم تقسيم المسافة بين درجتي التجمد والغليان إلى 100 جزء متساوية، وتساوي الدرجة الواحدة على مقياس كلفن مقدار درجة سلسيوس واحدة.

ويمكن تحويل درجات الحرارة من المقياس السلسيوس إلى مقياس الكلفن بإضافة 273 إلى درجة الحرارة في النظام السلسيوس.

ك = س + 273

تحويل درجات الحرارة بين النظامين الفهرنهايتي والسلسيوس

يمكنك تحويل درجات الحرارة من المقياس السلسيوس إلى المقياس الفهرنهايتي والعكس باستخدام المعادلتين التاليتين:

معادلات تحويل درجات الحرارة

للتحويل من المقياس الفهرنهايتي إلى المقياس السلسيوس:

س = 5/9 × (ف - 32)

للتحويل من المقياس السلسيوس إلى المقياس الفهرنهايتي:

ف = 9/5 × (س) + 32

فمثلًا، لتحويل درجة الحرارة 68°ف إلى النظام السلسيوس، أولًا تطرح 32 من الرقم 68، ثم تضرب الناتج في 5 وتقسمه على 9، فتكون النتيجة 20°س.

تطبيق الرياضيات

حل معادلة بسيطة

التحويل إلى النظام السلسيوس

أشار مقياس الحرارة في يوم صيفي إلى 86°ف. كم تساوي هذه الدرجة على المقياس السلسيوس؟

الحل

• المعطيات

درجة الحرارة بالفهرنهايت = 86°ف.

• المطلوب

درجة الحرارة على المقياس السلسيوس = ؟ °س.

• طريقة الحل

عوض بالمعطيات في المعادلة:

س = 5/9 × (ف - 32)

س = 5/9 × (86 - 32)

س = 5/9 × 54 = 30°س

• التحقق من الحل

اضرب الجواب في 9/5، ثم أضف إلى الناتج 32؛ يجب أن تكون النتيجة هي درجة الحرارة المعطاة بالفهرنهايت.

مسائل تدريبية

• قام طالب بقياس درجة حرارة جسمه فكانت 98.6°ف. ما قيمة هذه الدرجة على المقياس السلسيوس؟
• سجلت درجة الحرارة 57°س في صحراء في يوم صيفي حار. ما قيمة هذه الدرجة على المقياس الفهرنهايتي؟

الخلاصة

درجة الحرارة والطاقة الحرارية

• ترتبط درجة حرارة جسم ما مع متوسط الطاقة الحركية لجزيئاته.
• الطاقة الحرارية لجسم ما هي مجموع طاقتي الحركة والوضع لجميع جزيئاته.
• تتمدد معظم المواد عندما تزداد درجة حرارتها.

قياس درجة الحرارة

• يتجمد الماء عند 0°س في المقياس السلسيوس، ويغلي عند 100°س.
• يتجمد الماء عند 32°ف في المقياس الفهرنهايتي، ويغلي عند 212°ف.
• يتجمد الماء عند 273 ك في مقياس كلفن المطلق، ويغلي عند 373 ك.

اختبر نفسك

• وضح الفرق بين درجة الحرارة والطاقة الحرارية، وبين كيف ترتبطان معًا؟
• حدد أي درجتي الحرارة تكون أكبر دائمًا: درجة حرارة الجسم على المقياس السلسيوس، أم درجة حرارته على مقياس الكلفن؟
• وضح العلاقة بين الطاقة الحرارية والطاقة الحركية، واشرح الفرق بين وضع كمية سخنة مغلقة ومقياس التمدد الحراري لمادة ما في قياس درجة الحرارة؟

تطبيق الرياضيات

• تحويل درجة الحرارة: ينضج الدجاج عند وضعه في الفرن ووصول درجة حرارته الداخلية إلى 180°ف. حول هذه الدرجة إلى المقياس السلسيوس ثم إلى مقياس الكلفن.