يستخدم الناس المصطلحات في بعض الأحيانالحرارةودرجة الحرارةبالتبادل. يربطون الحرارة بالكلمةالحاروفهم درجة الحرارة على أنها مرتبطة أيضًا بـ "سخونة" أو "برودة" شيء ما. ربما سيقولون إن درجة الحرارة في يوم الربيع تبدو مناسبة تمامًا لأنها الكمية المناسبة من الحرارة.
لكن في الفيزياء ، هاتان الكميتان مختلفتان تمامًا عن بعضهما البعض. إنها ليست مقاييس لنفس الشيء ، ولا تحتوي على نفس الوحدات ، على الرغم من أنهما يمكنهما إعلامك بفهمك للخصائص الحرارية.
الطاقة الداخلية
لفهم الحرارة ودرجة الحرارة على المستوى الأساسي ، من المهم أولاً فهم مفهوم الطاقة الداخلية. بينما قد تكون معتادًا على الأشياء التي لها طاقة حركية بسبب حركتها ، أو الطاقة الكامنة بسبب موقعها ، داخل جسم معين ، يمكن للجزيئات نفسها أيضًا أن يكون لها شكل من أشكال الحركة والجهد طاقة.
هذه الحركية الجزيئية والطاقة الكامنة منفصلة عما يمكنك رؤيته عند النظر إلى لبنة على سبيل المثال. يبدو أن الطوب الموجود على الأرض لا يتحرك ، وقد تفترض أنه لا يحتوي على طاقة حركية أو طاقة محتملة مرتبطة به. وبالفعل ، هذا ليس بمعنى فهمك للميكانيكا الأساسية.
لكن الطوب نفسه يتكون من العديد من الجزيئات التي تخضع بشكل فردي لأنواع مختلفة من الحركات الصغيرة التي لا يمكنك رؤيتها. قد تواجه الجزيئات أيضًا طاقة كامنة بسبب قربها من الجزيئات الأخرى والقوى التي تمارس بينها. إجمالي الطاقة الداخلية لهذا الطوب هو مجموع الطاقات الحركية والمحتملة للجزيئات نفسها.
كما تعلمت على الأرجح ، يتم الحفاظ على الطاقة. في حالة عدم تأثير أي احتكاك أو قوى تبديد على جسم ما ، يتم أيضًا الحفاظ على الطاقة الميكانيكية. أي أن الطاقة الحركية يمكن أن تتغير إلى طاقة كامنة والعكس صحيح ، لكن المجموع يبقى ثابتًا. عندما تعمل قوة مثل الاحتكاك ، قد تلاحظ تناقص إجمالي الطاقة الميكانيكية. وذلك لأن الطاقة اتخذت أشكالًا أخرى مثل الطاقة الصوتية أو الطاقة الحرارية.
عندما تفرك يديك معًا في يوم بارد ، فإنك تحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. أي أن الطاقة الحركية لليدين التي تتحرك ضد بعضهما البعض قد تغير شكلها وأصبحت طاقة حركية للجزيئات في يديك بالنسبة لبعضها البعض. متوسط هذه الطاقة الحركية في الجزيئات الموجودة في يديك هو ما يعرفه العلماء بالحرارة.
تعريف درجة الحرارة
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية لكل جزيء في مادة ما. لاحظ أنها ليست هي نفس الطاقة الداخلية للمادة لأنها لا تشمل الطاقة الكامنة كما أنها ليست مقياسًا للطاقة الكلية في المادة. بدلاً من ذلك ، إنها الطاقة الحركية الكلية مقسومة على عدد الجزيئات. على هذا النحو ، فإنه لا يعتمد على مقدار ما لديك (مثل إجمالي الطاقة الداخلية) ولكن على مقدار الطاقة الحركية التي يحملها الجزيء المتوسط في المادة.
يمكن قياس درجة الحرارة بالعديد من الوحدات المختلفة. من بينها فهرنهايت ، وهو الأكثر شيوعًا في الولايات المتحدة وعدد قليل من الأماكن الأخرى. على مقياس فهرنهايت ، يتجمد الماء عند 32 درجة ويغلي عند 212. مقياس شائع آخر هو مقياس سيليزيوس ، المستخدم في العديد من الأماكن الأخرى في العالم. على هذا المقياس ، يتجمد الماء عند 0 درجة ويغلي عند 100 درجة (مما يعطي فكرة واضحة جدًا عن كيفية تصميم هذا المقياس).
لكن المعيار العلمي هو مقياس كلفن. في حين أن حجم الزيادة على مقياس كلفن هو نفسه درجة سلزيوس ، فإن مقياس كلفن يبدأ عند درجة حرارة تسمى الصفر المطلق ، حيث تتوقف كل الحركة الجزيئية. بمعنى آخر ، يبدأ عند أبرد درجة حرارة ممكنة.
درجة الصفر المئوي هي 273.15 بمقياس كلفن. مقياس كلفن هو المعيار العلمي لسبب وجيه. افترض أن شيئًا ما عند درجة حرارة 0 مئوية. ماذا يعني أن نقول إن الجسم الثاني هو ضعف درجة الحرارة؟ هل سيكون هذا العنصر أيضًا 0 درجة مئوية؟ حسنًا على مقياس كلفن ، لا تسبب هذه الفكرة أي مشاكل ، وهي على وجه التحديد لأنها تبدأ من الصفر المطلق.
تعريف الحرارة
ضع في اعتبارك مادتين أو كائنين عند درجات حرارة مختلفة. ماذا يعني هذا؟ هذا يعني ، في المتوسط ، أن الجزيئات في إحدى المواد (ذات درجة حرارة أعلى) هي يتحرك بمتوسط طاقة حركية أكبر من الجزيئات في درجة الحرارة المنخفضة مستوى.
إذا حدث تلامس بين هاتين المادتين ، فليس من المستغرب أن تبدأ الطاقة بالتوسط بين المواد عند حدوث تصادمات مجهرية. ستبرد المادة التي كانت في البداية عند درجة حرارة أعلى مع ارتفاع درجة حرارة المادة الأخرى حتى يصبح كلاهما بنفس درجة الحرارة. يسمي العلماء هذه الحالة النهائيةتوازن حراري.
الطاقة الحرارية التي يتم نقلها من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة هي ما يسميه العلماء بالحرارة. الحرارة هي شكل الطاقة المنقولة بين مادتين في درجات حرارة مختلفة. تتدفق الحرارة دائمًا من المادة ذات درجة الحرارة الأعلى إلى المادة ذات درجة الحرارة المنخفضة حتى يتم الوصول إلى التوازن الحراري.
نظرًا لأن الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة ، فإن وحدة الحرارة في النظام الدولي للوحدات هي الجول.
الاختلافات بين الحرارة ودرجة الحرارة
كما رأيت من خلال التعريفات السابقة ، فإن الحرارة ودرجة الحرارة هما بالفعل مقياسين فيزيائيين متميزين. هذه ليست سوى بعض اختلافاتهم:
يتم قياسها بوحدات مختلفة.وحدة SI لدرجة الحرارة هي كلفن ، ووحدة SI للحرارة هي الجول. تعتبر كلفن وحدة أساسية ، مما يعني أنه لا يمكن تقسيمها إلى مجموعة من الوحدات الأساسية الأخرى. الجول يساوي كيلوجرام2/س2.
تختلف في اعتمادها على عدد الجزيئات.درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية لكل جزيء ، مما يعني أنه لا يهم كمية المادة التي لديك عندما تتحدث عن درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن كمية الطاقة الحرارية التي يمكن أن تنتقل بين المواد تعتمد بشكل كبير على كمية كل مادة لديك.
هم أنواع مختلفة من المتغيرات.تُعرف درجة الحرارة باسم متغير الحالة. أي أنه يحدد الحالة التي توجد فيها مادة أو كائن. من ناحية أخرى ، تعتبر الحرارة متغيرًا في العملية. يصف العملية التي تحدث - في هذه الحالة ، الطاقة التي يتم نقلها. ليس من المنطقي التحدث عن الحرارة عندما يكون كل شيء في حالة توازن.
يتم قياسها بشكل مختلف.تُقاس درجة الحرارة بميزان حرارة ، وهو عادةً جهاز يستخدم التمدد الحراري لتغيير القراءة على مقياس. من ناحية أخرى ، يتم قياس الحرارة باستخدام جهاز قياس السعرات الحرارية.
أوجه التشابه والعلاقات بين الحرارة ودرجة الحرارة.
الحرارة ودرجة الحرارة ليسا منفصلين تمامًا عن بعضهما البعض ، ومع ذلك:
كلاهما كميات مهمة في الديناميكا الحرارية.تعتمد دراسة الطاقة الحرارية على القدرة على قياس درجة الحرارة وكذلك القدرة على تتبع عمليات نقل الحرارة.
نقل الحرارة مدفوع بالاختلافات في درجات الحرارة.عندما يكون هناك جسمان في درجات حرارة مختلفة ، تنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم الأكثر برودة حتى يتم الوصول إلى التوازن الحراري. على هذا النحو ، فإن هذه الاختلافات في درجات الحرارة هي المحرك لانتقال الحرارة.
تميل إلى الزيادة والنقصان معًا.إذا تمت إضافة الحرارة إلى نظام ، ترتفع درجة الحرارة. إذا تمت إزالة الحرارة من النظام ، تنخفض درجة الحرارة. (يحدث استثناء واحد لهذا مع انتقالات الطور ، وفي هذه الحالة يتم استخدام الطاقة الحرارية لإحداث انتقال طوري بدلاً من تغيير في درجة الحرارة.)
إنها مرتبطة ببعضها البعض بواسطة معادلة.طاقة حراريةسيرتبط بتغير في درجة الحرارةΔ تعبر المعادلة Q = mcΔT حيثمهي كتلة المادة وجهي السعة الحرارية النوعية (أي قياس كمية الطاقة الحرارية المطلوبة لرفع كتلة وحدة بمقدار درجة كلفن لمادة معينة.)
الحرارة ودرجة الحرارة والطاقة الداخلية الكلية
الطاقة الداخلية هي إجمالي الطاقة الحركية الداخلية والطاقة الكامنة ، أو الطاقة الحرارية في مادة ما. بالنسبة لغاز مثالي ، تكون فيه الطاقة الكامنة بين الجزيئات ضئيلة ، طاقة داخليةهمن خلال الصيغة E = 3 / 2nRT حيثنهو عدد مولات الغاز وثابت الغاز العامر= 8.3145 جول / مول ك.
تظهر العلاقة بين الطاقة الداخلية ودرجة الحرارة أنه ليس من المستغرب أن تزداد الطاقة الحرارية مع زيادة درجة الحرارة. تصبح الطاقة الداخلية أيضًا 0 عند الصفر المطلق كلفن.
تظهر الحرارة في الصورة عندما تبدأ في النظر إلى التغيرات في الطاقة الداخلية. يعطي القانون الأول للديناميكا الحرارية العلاقة التالية:
\ دلتا إي = س - دبليو
أينسهي الحرارة المضافة إلى النظام ودبليوهو العمل الذي يقوم به النظام. في جوهرها ، هذا هو بيان الحفاظ على الطاقة. عندما تضيف طاقة حرارية ، تزداد الطاقة الداخلية. إذا كان النظام يعمل على محيطه ، تنخفض الطاقة الداخلية.
درجة الحرارة كدالة للطاقة الحرارية
كما ذكرنا سابقًا ، عادةً ما تؤدي الطاقة الحرارية المضافة إلى نظام ما إلى زيادة مقابلة في درجة الحرارة إلا إذا كان النظام يمر بتغيير في الطور. لإلقاء نظرة على هذا الأمر عن كثب ، ضع في اعتبارك كتلة من الجليد تبدأ دون درجة التجمد حيث تتم إضافة الطاقة الحرارية بمعدل ثابت.
إذا تمت إضافة الطاقة الحرارية بشكل مستمر بينما ترتفع درجة حرارة كتلة الجليد إلى درجة التجمد ، فإنها تخضع لتغيير المرحلة لتصبح ماء ثم يستمر في التسخين حتى يصل إلى الغليان ، حيث يخضع لتغيير طوري آخر ليصبح بخارًا ، الرسم البياني لدرجة الحرارة مقابل الرسم البياني لدرجات الحرارة. ستبدو الحرارة كما يلي:
بينما يكون الجليد أقل من درجة التجمد ، توجد علاقة خطية بين الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة. هذا ليس مفاجئًا كما ينبغي ، بالنظر إلى المعادلة Q = mcΔT. بمجرد أن يصل الجليد إلى درجة حرارة التجمد ، يجب استخدام أي طاقة حرارية مضافة لمساعدته على تغيير المرحلة. تظل درجة الحرارة ثابتة على الرغم من استمرار إضافة الحرارة. المعادلة التي تربط الطاقة الحرارية بالكتلة أثناء تغير الطور من الحالة الصلبة إلى السائلة هي كما يلي:
س = mL_f
أينإلFهي الحرارة الكامنة للانصهار - ثابت يتعلق بكمية الطاقة المطلوبة لكل وحدة كتلة لإحداث التغيير من الحالة الصلبة إلى السائلة.
لذا ، حتى تساوي كمية الحرارةملFتم إضافة ، تظل درجة الحرارة ثابتة.
بمجرد ذوبان كل الجليد ، ترتفع درجة الحرارة مرة أخرى بشكل خطي حتى تصل إلى نقطة الغليان. هنا مرة أخرى يحدث تغيير في الطور ، هذه المرة من سائل إلى غاز. المعادلة التي تربط الحرارة بالكتلة أثناء تغير هذه المرحلة متشابهة جدًا:
أينإلالخامسهي الحرارة الكامنة للتبخر - ثابت يتعلق بكمية الطاقة المطلوبة لكل وحدة كتلة لإحداث التغيير من السائل إلى الغاز. لذلك تظل درجة الحرارة ثابتة مرة أخرى حتى تتم إضافة طاقة حرارية كافية. لاحظ أنه يظل ثابتًا لفترة أطول هذه المرة. هذا بسببإلالخامسعادة أعلى منإلFلمادة.
يظهر الجزء الأخير من الرسم البياني مرة أخرى نفس العلاقة الخطية كما في السابق.