درجة الحرارة
لضبط مقياس الحرارة ومعايرته وضع العلماء معيارين هما:
- درجة انصهار الجليد
- درجة غليان الماء.
◘ طوّر العلماء تدريجات مختلفة لقياس درجة الحرارة من أشهرها:
- تدريج سلسيوس Celsius scale
- تدريج فهرنهايت Fahrenheit scale
- تدريج كلفن (المطلق) Kelvin scale
♦ العلاقة بين درجة حرارة الجسم والطاقة الحركية لجسيماته.
- تعرف درجة الحرارة بأنها مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات المكوّنة لجسمٍ ما.
- أمّا الطاقة الحرارية فتساوي مجموع الطاقة الحركية لجسيمات الجسم جميعها.
الفرق بين درجة الحرارة والطاقة الحرارية؟
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات المكونة للجسم ونعني بمتوسط الطاقة أي مجموع الطاقات الحركية للجسيمات مقسومًا على عددها أمّا الطاقة الحرارية فهي المجموع الجبري للطاقة الحركية لجسيمات الجسم جميعها.
الطاقة الداخلية
♦ تعتمد الطاقة الداخلية للمواد الصلبة والسائلة على درجة الحرارة وكمية المادة وتركيبها الكيميائي.
أمّا في الغازات فإنها تعتمد على ضغط الغاز إضافةً إلى العوامل السابقة.
الحرارة
عندما يكون جسمان (نظامان) في حالة اتّصالٍ حراريّ تنتقل الطاقة من الجسم الأعلى درجة حرارة إلى الجسم الأدنى درجة حرارة وتسمى الطاقة المنتقلة الحرارة ورمزها Q .
وتعرف الحرارة بأنها انتقال الطاقة بين الأجسام أو الأنظمة فالجسم الذي يفقد كمية من الحرارة تقل طاقته الداخلية والجسم الذي يكتسب كمية من الحرارة تزداد طاقته الداخلية.
◘ ما الطرق المستخدمة في زيادة الطاقة الداخلية لنظام؟
يمكن زيادة الطاقة الداخلية لنظام عن طريق بذل شغلاً على هذا النظام، كما يحدث عند تحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية بسبب الشغل الذي تبذله قوى الاحتكاك.
استخدم العلماء وحدات قياس مختلفة لقياس الحرارة ومن أشهرها:السُّعر calorie
وهو كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة (1g) من الماء بمقدار () وتستخدم هذه الوحدة عادةً للدلالة على مقدار ما يحويه الغذاء من طاقة.
• أمّا وحدة قياس الحرارة بحسب النظام الدولي للوحدات هي الجول وهي نفسها وحدة قياس أشكال الطاقة الأُخرى.
والعلاقة الرياضية التي تربط السعر بالجول هي:
السعة الحرارية النوعية
وتعرف بأنها كمّية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة (1kg)من المادّة بمقدار (1K)، وتقاس بوحدة (J/kg.K)بحسب النظام الدولي للوحدات.
تعتمد الحرارة النوعية على نوع مادة الجسم فقط؛ فهي تختلف من مادة إلى أُخرى، ولا تعتمد على كتلة الجسم أو حجمه.
يمكن التعبير عن السعة الحرارية النوعية (c)لمادة الجسم رياضياً بالعلاقة الآتية:
ستخدم هذه العلاقة لحساب كمية الطاقة التي يكتسبها جسم أو يفقدها عند تغير درجة حرارته -التي تساوي التغير في طاقته الحرارية - ( ΔE ) كما يأتي:
• إذا اكتسب الجسم طاقة؛ فإن كلا من (Q) و (ΔT) تكونان موجبتين.
أما إذا فقد الجسم طاقة فإن كلا من (Q) و (ΔT) تكونان سالبتين.
ويمكن حساب التغيّر في درجة الحرارة بوحدة سلسيوس أو كلفن؛ إذ أنّ الفرق بين تدريجين متتاليين في مقياس سلسيوس يساوي عدديًّا الفرق بين تدريجين متتاليين في مقياس كلفن ويوضح الشكل التالي السعة الحرارية النوعية لبعض المواد الشائعة.
الجدول: السعة الحرارية النوعية لبعض المواد الشائعة عند درجة حرارة وضغط جوي معياري.
لماذا يتم استخدام الماء في أنظمة التبريد في المحركات؟
لأنه يعد سائلاً مثاليًّا للتبريد بسبب سعته الحرارية النوعية الكبيرة جدًّا لذلك فهو يسخن ببطء ويبرد ببطء وهذا يمكنه من اختزان الطاقة والحفاظ عليها مدة زمنية طويلة مقارنةً مع غيره من السوائل.إذ يمكن لكمية قليلة من الماء أن تكتسب كمّية كبيرة من الطاقة من أجزاء المحرك مقابل ارتفاع قليل في درجة حرارتها ثم يتم التخلص من هذه الطاقة إلى الهواء الجوّيّ عن طريق المشعات (الرادييتر).
الاتزان الحراري
عند اتصال الأجسام المختلفة في درجات حرارتها معًا،فإنها تسعى تلقائيًّا إلى تحقيق الاتزان الحراري بينها بغض النظر عن شكلها أو نوعها أو كتلتها.ويكون اتجاه انتقال الطاقة الحرارية من الجسم الأعلى درجة حرارة(الساخن)إلى الجسم الأدنى درجة حرارة (البارد)في هذه العملية.
تمتلك الجسيمات المتحركة داخل الجسم الساخن طاقة حركية كبيرة نسبيًّا تتصادم مع جسيمات الجسم البارد التي تمتلك طاقة حركية أقلّ حيث تزداد طاقتها الحركية نتيجة هذه التصادمات ما يعني انتقال جزء من الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم البارد وهذا يفسر عملية انتقال الطاقة على المستوى المجهري.
يستمر انتقال الطاقة الحرارية حتى تتساوى درجتا الحرارة في الجسمين،وعندها يتساوى معدلا انتقال الطاقة بين الجسمين فيصبح الجسمان في حالة اتزان حراري Thermal equilibrium ويكون صافي الطاقة المنتقلة بين الجسمين صفرًا.
يوضح الشكل المجاور نظامًا يتكون من عينة (x)مرتفعة درجة الحرارة (Tx)من مادة مجهولة السعة الحرارية النوعية(cx)موضوعة في ماء بارد، إذ تنتقل الطاقة تلقائيًّا داخل النظام من الجزء الأعلى درجة حرارة حتى يصبحا في حالة اتزان حراريّ وتكون لهما درجة الحرارة النهائية (Tf) نفسها.
إذا كان النظام مغلقًا ومعزولاً حراريًّا بحيث لا تدخل طاقة أو مادّة إلى النظام ولا تغادره، يبقى المجموع الكلي للطاقة في النظام ثابتًا.
بافتراض أن النظام مكوّن من العيّنة (x) والماء فتكون الطاقة الكلية للنظام ثابتة أي أنّ:
ونظرًا إلى أنّ النظام مغلق ومعزول حراريًّا؛فإنّ التغير الكلي في طاقة النظام يجب أن يساوي صفرًا،أي أنّ:
نلاحظ من المعادلة السابقة أنّ التغير في الطاقة الحرارية لأحد جزأيّ النظام موجب،فترتفع درجة حرارته في حين يكون التغيّر في الطاقة الحرارية لجزء النظام الآخر سالبًا فتنخفض درجة حرارته.
ونظرًا إلى أن النظام مغلق ومعزول ولا يُبذل عليه شغل فإنّ التغيّر في الطاقة الحرارية لجزأيّ النظام ناتج من انتقال الطاقة بينهما ومقداره يساوي كمية الطاقة المنتقلة (Q)؛لذا يمكن التعبير عن تغيّر الطاقة الحرارية لكل من جزأيّ النظام بالعلاقة الآتية:
ونظرًا إلى أنّ كمّيّة الطاقة التي تفقدها العينة الساخنة (Qhot)تساوي كمية الطاقة التي يكتسبها الماء البارد (Qcold)وباستخدام مبدأ حفظ الطاقة،يمكن التعبير رياضيًّا عما سبق على النحو الآتي:
ولأيّ عدد من الأجسام () في حالة اتّصال حراري في نظام مغلق ومعزول ومتّزن حراريًّا ويمكن كتابة معادلة انتقال الطاقة بينها على النحو الآتي:
المسعر الحراري
هو عبارة عن إناء معزول حراريًّا يتكون من طبقتين بينهما مادة عازلة للحرارة.توضع داخله المواد المختلفة فيحدث بينها تبادل الطاقة الحرارية ويستخدم في قياس السعة الحرارية النوعية لمادة معينة.