درجة الحرارة (الفيزياء): التعريف والصيغة والأمثلة

قد يكون لديك بالفعل إحساس بديهي بأن درجة الحرارة هي مقياس "البرودة" أو "السخونة" لجسم ما. كثير من الناس مهووسون بالتحقق من النشرة الجوية حتى يعرفوا درجة الحرارة في اليوم. لكن ماذا تعني درجة الحرارة حقًا في الفيزياء؟

درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة ما. إنه يختلف عن الحرارة ، على الرغم من أن الكميتين مرتبطتان ارتباطًا وثيقًا. الحرارة هي الطاقة المنقولة بين جسمين عند درجات حرارة مختلفة.

أي مادة فيزيائية قد تنسب إليها خاصية درجة الحرارة تتكون من ذرات وجزيئات. هذه الذرات والجزيئات لا تبقى ثابتة ، حتى في المادة الصلبة. إنهم يتحركون ويهتزون باستمرار ، لكن الحركة تحدث على نطاق ضيق ، بحيث لا يمكنك رؤيتها.

كما تتذكر على الأرجح من دراستك للميكانيكا ، فإن الأجسام المتحركة لها شكل من أشكال الطاقة يسمىالطاقة الحركيةالتي ترتبط بكتلتها ومدى سرعة حركتها. لذلك عندما توصف درجة الحرارة بأنها متوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء ، فإن الطاقة المرتبطة بهذه الحركة الجزيئية هي التي يتم وصفها.

هناك العديد من المقاييس المختلفة التي يمكنك من خلالها قياس درجة الحرارة ، ولكن أكثرها شيوعًا هي الفهرنهايت ، والسلسيوس ، والكلفن.

مقياس فهرنهايت هو أكثر ما يعرفه أولئك الذين يعيشون في الولايات المتحدة وعدد قليل من البلدان الأخرى. على هذا المقياس ، يتجمد الماء عند 32 درجة فهرنهايت ، ودرجة حرارة الماء المغلي هي 212 فهرنهايت.

يستخدم المقياس المئوي (يشار إليه أحيانًا باسم الدرجة المئوية) في معظم البلدان الأخرى حول العالم. على هذا المقياس ، تكون نقطة تجمد الماء عند 0 درجة مئوية ونقطة غليان الماء عند 100 درجة مئوية.

مقياس كلفن ، المسمى باسم اللورد كلفن ، هو المعيار العلمي. الصفر على هذا المقياس عند الصفر المطلق ، حيث تتوقف كل الحركة الجزيئية. يعتبر مقياس درجة حرارة مطلقة.

للتحويل من الدرجة المئوية إلى فهرنهايت ، استخدم العلاقة التالية:

أينتي​_​F​ هي درجة الحرارة بالفهرنهايت وتي_جهي درجة الحرارة بالدرجة المئوية. على سبيل المثال ، 20 درجة مئوية تعادل:

للتحويل في الاتجاه الآخر ، من فهرنهايت إلى مئوية ، استخدم ما يلي:

للتحويل من Celsius إلى Kelvin ، تكون الصيغة أبسط لأن حجم الزيادة هو نفسه ، ولديهما فقط قيم بداية مختلفة:

• في العديد من التعبيرات في الديناميكا الحرارية ، الكمية المهمة هيΔ ت(التغير في درجة الحرارة) على عكس درجة الحرارة المطلقة نفسها. لأن الدرجة المئوية هي نفس حجم الزيادة على مقياس كلفن ،Δ ت_ك​ = ​Δ ت_ج، مما يعني أنه يمكن استخدام هذه الوحدات القابلة للتبديل في تلك الحالات. ومع ذلك ، في أي وقت تتطلب درجة حرارة مطلقة ، يجب أن تكون بالكلفن.

عندما يتلامس جسمان في درجات حرارة مختلفة مع بعضهما البعض ، يحدث انتقال الحرارة مع الحرارة يتدفق من الجسم عند درجة حرارة أعلى إلى الجسم عند درجة حرارة منخفضة حتى يتم التوازن الحراري وصل.

يحدث هذا النقل بسبب الاصطدام بين الجزيئات عالية الطاقة في الجسم الساخن مع الجزيئات منخفضة الطاقة في الجسم الأكثر برودة ، مما يؤدي إلى تحويل الطاقة إلى منهم في العملية حتى حدوث تصادمات عشوائية كافية بين الجزيئات في المواد بحيث تصبح الطاقة موزعة بالتساوي بين الكائنات أو مواد. نتيجة لذلك ، يتم تحقيق درجة حرارة نهائية جديدة ، والتي تقع بين درجات الحرارة الأصلية للأجسام الساخنة والباردة.

هناك طريقة أخرى للتفكير في هذا وهي أن الطاقة الكلية الموجودة في كلتا المادتين تصبح في النهاية موزعة بالتساوي بين المواد.

يمكن إيجاد درجة الحرارة النهائية لكائنين عند درجات حرارة أولية مختلفة بمجرد وصولهما إلى التوازن الحراري باستخدام العلاقة بين الطاقة الحراريةس، السعة الحرارية محددةج، كتلةموتغير درجة الحرارة المعطى بالمعادلة التالية:

​مثال:افترض أن 0.1 كجم من بنسات النحاس (ج_ج= 390 J / kgK) عند 50 درجة مئوية تنخفض في 0.1 كجم من الماء (ج_ث= 4،186 J / kgK) عند 20 درجة مئوية. ماذا ستكون درجة الحرارة النهائية بمجرد تحقيق التوازن الحراري؟

الحل: ضع في اعتبارك أن الحرارة المضافة إلى الماء من العملات المعدنية ستساوي الحرارة المنبعثة من العملات المعدنية. لذلك إذا كان الماء يمتص الحرارةس_ثأين:

ثم للبنسات النحاسية:

هذا يسمح لك بكتابة العلاقة:

ثم يمكنك الاستفادة من حقيقة أن كلا من العملات المعدنية النحاسية والماء يجب أن يكون لهما نفس درجة الحرارة النهائية ،تي_F، مثل ذلك:

يسد هذهΔ تالتعبيرات في المعادلة السابقة ، يمكنك بعد ذلك حلهاتي_F. يعطي القليل من الجبر النتيجة التالية:

ومن ثم ، فإن إدخال القيم يعطي:

ملاحظة: إذا كنت متفاجئًا من أن القيمة قريبة جدًا من درجة حرارة الماء الأولية ، ففكر في الاختلافات المهمة بين حرارة الماء المحددة والحرارة المحددة للنحاس. يستهلك الكثير من الطاقة لإحداث تغيير في درجة حرارة الماء أكثر مما يتطلبه الأمر لإحداث تغيير في درجة حرارة النحاس.

تقيس موازين الحرارة الزئبقية ذات اللمبة الزجاجية القديمة درجة الحرارة من خلال الاستفادة من خصائص التمدد الحراري للزئبق. يتمدد الزئبق عندما يكون دافئًا ويتقلص عندما يبرد (وإلى درجة أكبر بكثير من ميزان الحرارة الزجاجي الذي يحتوي عليه.) ​​لذلك مع تمدد الزئبق ، يرتفع داخل الأنبوب الزجاجي ، مما يسمح بذلك قياس.

موازين الحرارة الزنبركية - تلك التي عادةً ما يكون لها وجه دائري بمؤشر معدني - تعمل أيضًا خارج مبدأ التمدد الحراري. وهي تحتوي على قطعة من المعدن الملفوف تتمدد وتبرد بناءً على درجة الحرارة ، مما يتسبب في تحرك المؤشر.

تستخدم موازين الحرارة الرقمية بلورات سائلة حساسة للحرارة لتشغيل شاشات عرض درجة الحرارة الرقمية.

في حين أن درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط ​​الطاقة الحركية لكل جزيء ، فإن الطاقة الداخلية هي إجمالي كل الطاقات الحركية والمحتملة للجزيئات. بالنسبة للغاز المثالي ، حيث الطاقة الكامنة للجسيمات بسبب التفاعلات لا تذكر ، إجمالي الطاقة الداخليةهتعطى بالصيغة:

أيننهو عدد الشامات وصهل ثابت الغاز العام = 8.3145 J / molK.

ليس من المستغرب ، مع ارتفاع درجة الحرارة ، زيادة الطاقة الحرارية. توضح هذه العلاقة أيضًا سبب أهمية مقياس كلفن. يجب أن تكون الطاقة الداخلية أي قيمة 0 أو أكبر. لن يكون من المنطقي أبدًا أن تكون سلبية. سيؤدي عدم استخدام مقياس كلفن إلى تعقيد معادلة الطاقة الداخلية ويتطلب إضافة ثابت لتصحيحها. تصبح الطاقة الداخلية 0 عند المطلق 0 ك.