كل شخص يواجه مفهوم درجة الحرارة كل يوم. لقد دخل هذا المصطلح بقوة في حياتنا اليومية: فنحن نقوم بتسخين الطعام في الميكروويف أو طهي الطعام في الفرن ، فنحن مهتمون بالطقس في الخارج أو نكتشف ما إذا كانت المياه في النهر باردة - كل هذا يرتبط ارتباطًا وثيقًا بهذا المفهوم. وما هي درجة الحرارة ، ماذا تعني هذه المعلمة الفيزيائية ، بأي طريقة يتم قياسها؟ سنجيب على هذه الأسئلة وغيرها في المقال
الكمية المادية
دعونا نفكر في درجة الحرارة من وجهة نظر نظام معزول في التوازن الديناميكي الحراري. يأتي المصطلح من اللغة اللاتينية ويعني "الخلط المناسب" ، "الحالة العادية" ، "التناسب". تميز هذه القيمة حالة التوازن الديناميكي الحراري لأي نظام مجهري. في الحالة التي يكون فيها النظام المعزول خارج التوازن ، بمرور الوقت هناك انتقال للطاقة من أجسام أكثر تسخينًا إلى أجسام أقل تسخينًا. والنتيجة هي معادلة (تغيير) درجة الحرارة في جميع أنحاء النظام. هذا هو الافتراض الأول (مبدأ الصفر) للديناميكا الحرارية.
تحدد درجة الحرارةتوزيع الجسيمات المكونة للنظام حسب مستويات الطاقة والسرعات ، ودرجة تأين المواد ، وخصائص توازن الإشعاع الكهرومغناطيسي للأجسام ، والكثافة الحجمية الإجمالية للإشعاع. نظرًا لأن النظام في حالة توازن ديناميكي حراري ، فإن المعلمات المدرجة متساوية ، وعادة ما تسمى درجة حرارة النظام.
بلازما
إلى جانب أجسام التوازن ، هناك أنظمة تتميز فيها الحالة بعدة قيم درجة حرارة لا تتساوى مع بعضها البعض. البلازما مثال جيد. يتكون من الإلكترونات (الجسيمات المشحونة بالضوء) والأيونات (الجسيمات المشحونة الثقيلة). عندما تصطدم ، تنتقل الطاقة بسرعة من إلكترون إلى إلكترون ومن أيون إلى أيون. لكن بين العناصر غير المتجانسة هناك انتقال بطيء. يمكن أن تكون البلازما في حالة تكون فيها الإلكترونات والأيونات بشكل فردي قريبة من التوازن. في هذه الحالة ، يمكن أخذ درجات حرارة منفصلة لكل نوع من الجسيمات. ومع ذلك ، ستختلف هذه المعلمات عن بعضها البعض.
مغناطيس
في الأجسام التي تمتلك فيها الجسيمات لحظة مغناطيسية ، يحدث نقل الطاقة عادةً ببطء: من درجات الحرية الانتقالية إلى درجات الحرية المغناطيسية ، والتي ترتبط بإمكانية تغيير اتجاهات اللحظة. اتضح أن هناك حالات يتميز فيها الجسم بدرجة حرارة لا تتوافق مع المعلمة الحركية. إنه يتوافق مع الحركة الانتقالية للجسيمات الأولية. تحدد درجة الحرارة المغناطيسية جزءًا من الطاقة الداخلية. يمكن أن تكون إما إيجابية أونفي. أثناء عملية المحاذاة ، سيتم نقل الطاقة من الجسيمات ذات القيمة الأعلى إلى الجسيمات ذات القيمة المنخفضة لدرجة الحرارة إذا كانت موجبة أو سالبة. وإلا فستستمر هذه العملية في الاتجاه المعاكس - ستكون درجة الحرارة السالبة "أعلى" من الموجبة.
لماذا هذا ضروري؟
تكمن المفارقة في حقيقة أن الشخص العادي ، من أجل تنفيذ عملية القياس في كل من الحياة اليومية وفي الصناعة ، لا يحتاج حتى إلى معرفة درجة الحرارة. سيكون كافياً بالنسبة له أن يفهم أن هذه هي درجة تسخين كائن أو بيئة ، خاصة وأننا كنا على دراية بهذه المصطلحات منذ الطفولة. في الواقع ، فإن معظم الأجهزة العملية المصممة لقياس هذه المعلمة تقيس في الواقع الخصائص الأخرى للمواد التي تتغير مع مستوى التسخين أو التبريد. على سبيل المثال ، الضغط ، المقاومة الكهربائية ، الحجم ، إلخ. علاوة على ذلك ، يتم تحويل هذه القراءات يدويًا أو تلقائيًا إلى القيمة المطلوبة.
اتضح أنه لتحديد درجة الحرارة ، ليست هناك حاجة لدراسة الفيزياء. يعيش معظم سكان كوكبنا وفقًا لهذا المبدأ. إذا كان التلفزيون قيد التشغيل ، فلا داعي لفهم العمليات المؤقتة لأجهزة أشباه الموصلات ، لدراسة مصدر الكهرباء في المخرج أو كيفية وصول الإشارة إلى طبق القمر الصناعي. اعتاد الناس على حقيقة أن هناك متخصصين في كل مجال يمكنهم إصلاح النظام أو تصحيحه. الشخص العادي لا يريد إجهاد دماغه ، لأنه من الأفضل مشاهدة المسلسل التلفزيوني أو كرة القدم على "الصندوق" أثناء ارتشافهبيرة باردة.
أريد أن أعرف
لكن هناك أشخاص ، في أغلب الأحيان طلاب ، يضطرون ، إما بدافع فضولهم أو بدافع الضرورة ، إلى دراسة الفيزياء وتحديد درجة الحرارة حقًا. نتيجة لذلك ، وقعوا في بحثهم في براري الديناميكا الحرارية ودرسوا قوانينها الصفرية والأولى والثانية. بالإضافة إلى ذلك ، سيتعين على العقل الفضولي فهم دورات كارنو والإنتروبيا. وفي نهاية رحلته ، سيعترف بالتأكيد أن تعريف درجة الحرارة كمعامل لنظام حراري قابل للعكس ، والذي لا يعتمد على نوع مادة العمل ، لن يضيف وضوحًا للشعور بهذا المفهوم. ومع ذلك ، سيكون الجزء المرئي بعض الدرجات المقبولة من قبل النظام الدولي للوحدات (SI).
درجة الحرارة كطاقة حركية
أكثر "ملموس" هو النهج الذي يسمى نظرية الحركية الجزيئية. إنها تشكل فكرة أن الحرارة تعتبر أحد أشكال الطاقة. على سبيل المثال ، الطاقة الحركية للجزيئات والذرات ، وهي معلمة يتم حسابها في المتوسط على عدد كبير من الجسيمات المتحركة بشكل عشوائي ، تبين أنها مقياس لما يسمى عادة بدرجة حرارة الجسم. وبالتالي ، فإن جزيئات النظام الساخن تتحرك أسرع من النظام البارد.
نظرًا لأن المصطلح قيد الدراسة وثيق الصلة بمتوسط الطاقة الحركية لمجموعة من الجسيمات ، فسيكون من الطبيعي جدًا استخدام الجول كوحدة لدرجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن هذا لا يحدث ، وهو ما يفسره حقيقة أن طاقة الحركة الحرارية الابتدائيةالجسيمات صغيرة جدًا بالنسبة إلى الجول. لذلك ، استخدامه غير مريح. تقاس الحركة الحرارية بالوحدات المشتقة من الجول بواسطة عامل تحويل خاص.
وحدات درجة الحرارة
اليوم ، يتم استخدام ثلاث وحدات أساسية لعرض هذه المعلمة. في بلدنا ، تُقاس درجة الحرارة عادةً بالدرجات المئوية. تعتمد وحدة القياس هذه على نقطة تجمد الماء - وهي قيمة مطلقة. هي نقطة البداية. أي أن درجة حرارة الماء الذي يبدأ عنده الجليد في التكون هي صفر. في هذه الحالة ، يعمل الماء كإجراء مثالي. تم اعتماد هذه الاتفاقية من أجل الملاءمة. القيمة المطلقة الثانية هي درجة حرارة البخار ، أي اللحظة التي يتغير فيها الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.
الوحدة التالية هي كلفن. تعتبر النقطة المرجعية لهذا النظام هي نقطة الصفر المطلق. إذن ، الدرجة الواحدة كلفن تساوي درجة واحدة سلزية. الاختلاف هو فقط بداية العد التنازلي. نجد أن صفرًا بالكلفن سيساوي 273.16 درجة سلزية. في عام 1954 ، في المؤتمر العام للأوزان والمقاييس ، تقرر استبدال مصطلح "درجة كلفن" لوحدة درجة الحرارة بـ "كلفن".
وحدة القياس المشتركة الثالثة هي فهرنهايت. حتى عام 1960 ، كانت تستخدم على نطاق واسع في جميع البلدان الناطقة باللغة الإنجليزية. ومع ذلك ، اليوم في الحياة اليومية في الولايات المتحدة استخدم هذه الوحدة. يختلف النظام اختلافًا جوهريًا عن تلك الموصوفة أعلاه. تؤخذ كنقطة انطلاقنقطة تجمد خليط من الملح والأمونيا والماء بنسبة 1: 1: 1. إذن ، على مقياس فهرنهايت ، تكون درجة تجمد الماء زائد 32 درجة ، ونقطة الغليان هي زائد 212 درجة. في هذا النظام ، الدرجة الواحدة تساوي 1/180 من الفرق بين درجات الحرارة هذه. لذا ، فإن النطاق من 0 إلى +100 درجة فهرنهايت يتوافق مع النطاق من -18 إلى +38 درجة مئوية.
درجة حرارة الصفر المطلق
دعونا نفهم ما تعنيه هذه المعلمة. الصفر المطلق هو درجة الحرارة المحددة التي يتلاشى عندها ضغط الغاز المثالي عند حجم ثابت. هذه هي أدنى قيمة في الطبيعة. كما تنبأ ميخائيلو لومونوسوف ، "هذه هي أكبر درجة أو أخير درجة من البرد." يتبع قانون Avogadro الكيميائي من هذا: تحتوي كميات متساوية من الغازات عند نفس درجة الحرارة والضغط على نفس العدد من الجزيئات. ماذا يتبع من هذا؟ توجد درجة حرارة دنيا للغاز يتلاشى عندها ضغطه أو حجمه. هذه القيمة المطلقة تعادل صفر كلفن ، أو 273 درجة مئوية.
بعض الحقائق المثيرة حول النظام الشمسي
تصل درجة الحرارة على سطح الشمس إلى 5700 كلفن ، وفي مركز اللب - 15 مليون كلفن. تختلف كواكب النظام الشمسي اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض من حيث مستوى التسخين. لذا ، فإن درجة حرارة لب الأرض هي نفسها على سطح الشمس تقريبًا. يعتبر كوكب المشتري أكثر الكواكب سخونة. درجة الحرارة في مركز اللب أعلى بخمس مرات من درجة حرارة سطح الشمس. وهنا أدنى قيمة للمعاملتم تسجيله على سطح القمر - كان 30 درجة كلن فقط. هذه القيمة أقل من تلك الموجودة على سطح بلوتو.
حقائق الأرض
1. أعلى درجة حرارة سجلها الإنسان كانت 4 مليارات درجة مئوية. هذه القيمة أعلى بـ 250 مرة من درجة حرارة لب الشمس. تم وضع الرقم القياسي من قبل مختبر نيويورك Brookhaven الطبيعي في مصادم الأيونات ، والذي يبلغ طوله حوالي 4 كيلومترات.
2. درجة الحرارة على كوكبنا ليست دائمًا مثالية ومريحة. على سبيل المثال ، في مدينة Verkhnoyansk في ياقوتيا ، تنخفض درجة الحرارة في الشتاء إلى 45 درجة مئوية تحت الصفر. لكن في مدينة دالول الإثيوبية ، انعكس الوضع. هناك متوسط درجة الحرارة السنوية زائد 34 درجة
3. يتم تسجيل أقسى الظروف التي يعمل الناس في ظلها في مناجم الذهب في جنوب إفريقيا. يعمل عمال المناجم على عمق ثلاثة كيلومترات عند درجة حرارة تزيد عن 65 درجة مئوية.
