درجات الحرارة
تعريف درجة الحرارة
في علم الفيزياء، تُعتبر درجة الحرارة مقياسًا لمدى سخونة أو برودة جسم أو مادة ما مقارنةً بنقطة مرجعية محددة وفقًا لنظام القياس المستخدم. تؤدي درجتا الحرارة في نظامين مختلفين إلى حالة توازن حراري عندما يتساويان.
علاوة على ذلك، يمكننا اعتبار درجة الحرارة قياسًا لمتوسط الطاقة الحرارية في مادة معينة. فعلى سبيل المثا، إذا قمنا بإحضار حاوية تحتوي على غاز معين، فسوف نجد أن متوسط الطاقة الحركية للجزيئات في هذا الغاز يعبر عن كمية محددة من الطاقة الحرارية. ومع ذلك، إذا قمنا بقياس سرعة كل جزيء بشكل منفصل، سنلاحظ أن هناك جزيئات سريعة (حيث تمتلك طاقة حركية مرتفعة) وأخرى بطيئة (تمتلك طاقة حركية منخفضة). لذا، فإن درجة الحرارة كمقياس لمتوسط الطاقة الحرارية تعني أنها لا تعتمد على عدد الجزيئات أو على حجمها.
وحدات قياس درجة الحرارة
يوجد عدد من الوحدات المستخدمة لقياس درجات الحرارة، ويتميز كل منها بخصائصه وقواعده وطرق استنتاجه، وتعتمد على مراجع مختلفة لتعريف درجة الحرارة. على الرغم من إمكانية استخدام جميع الوحدات في كافة الظروف، إلا أن القواعد المعتادة تحدد أماكن استخدامها. تتضمن الوحدات الأربع المعتمدة لقياس درجات الحرارة ما يلي:
- كلفن (Kelvin): عند استخدام هذه الوحدة، يكون نقطة تجمد الماء عند 273.15 كلفن، ونقطة غليانه عند 373.15 كلفن.
- سيلسيوس (Celsius): حيث تكون درجة تجمد الماء في هذا النظام هي 0 سيلسيوس، في حين أن درجة غليانه تبلغ 100 سيلسيوس.
- فهرنهايت (Fahrenheit): في هذا النظام، نقطة تجمد الماء هي 32 فهرنهايت، بينما تنقلب عند 212 فهرنهايت.
- رانكين (Rankine): وهو النظام الأقل شهرة. تكون درجة تجمد الماء في هذه الوحدة عند 492 رانكين، ودرجة غليانه تبلغ 672 رانكين.
التحويل من فهرنهايت إلى سيلسيوس
يمكن إجراء التحويل بين جميع الوحدات المذكورة سابقًا باستخدام العديد من العلاقات. عند التحويل بين وحدة السيلسيوس ووحدة الفهرنهايت، نقوم باستخدام أحد القانونين التاليين:
- درجة الحرارة بالسيلسيوس = (درجة الحرارة بالفهرنهايت – 32) / 1.8
- درجة الحرارة بالفهرنهايت = درجة الحرارة بالسيلسيوس × 1.8 + 32
التحويل بين الوحدات المختلفة
تتضمن علاقات التحويل الأساسية للتحويل بين درجات الحرارة المختلفة. يمكن استنتاج باقي العلاقات من هذه القواعد الأساسية. ومن أمثلة القوانين الرئيسية التي تحدد التحويل بين وحدات درجات الحرارة:
- درجة الحرارة بالسيلسيوس = درجة الحرارة بالكلفن – 273.15
- درجة الحرارة بالرانكين = 5/9 × درجة الحرارة بالكلفن
- درجة الحرارة بالفهرنهايت = درجة الحرارة بالرانكين – 459.67
أمثلة توضيحية
- مثال (1): أصيب طفل بمرض أدى إلى ارتفاع درجة حرارته، فقام والده بقياس حرارته باستخدام ميزان الحرارة الذي يحتوي عليه، ووجد أن القراءة هي 104. على الرغم من أن درجة حرارة الإنسان الطبيعية تقارب 37.5 سيلسيوس، إلا أن الأب أدرك أن الميزان يقيس الحرارة بالفهرنهايت. السؤال هو: هل درجة حرارة الطفل مرتفعة حقًا؟
الحل: لمعرفة ما إذا كانت درجة حرارة الطفل مرتفعة يجب علينا تحويل درجة حرارة الميزان إلى سيلسيوس أو البحث عن القيم الطبيعية لدرجة حرارة الجسم بالفهرنهايت. سنقوم باستخدام علاقة التحويل المباشرة:
س = (ف – 32) / 1.8
س = (104 – 32) / 1.8
س = 72 / 1.8
س = 40 سيلسيوس.
إذاً، الأب بحاجة لأخذ ابنه للطبيب لأن درجة حرارته مقلقة للغاية.
- مثال (2): حصل أحد الطلاب على منحة للحصول على درجة الدكتوراه في الفيزياء في جامعة ستانفورد في أمريكا، واستقل الطائرة. أثناء الرحلة، أراد معرفة درجة الحرارة خارج الطائرة فلاحظ أن ميزان الحرارة يعرض -40 فهرنهايت و -40 سيلسيوس، مما جعله يحتار في وجود عطل بالميزان. السؤال هو: هل هناك مشكلة في ميزان الحرارة؟
الحل: للتأكد من كفاءة ميزان الحرارة، سنقوم بتحويل القيم المعطاة. سنبدأ بتحويل القيم من سيلسيوس إلى فهرنهايت:
ف = س × 1.8 + 32
ف = -40 × 1.8 + 32
ف = -72 + 32
ف = -40 فهرنهايت.
ثم سنقوم بتحويل القيمة من فهرنهايت إلى سيلسيوس:
س = (-40 – 32) / 1.8
س = -72 / 1.8
س = -40 سيلسيوس.
من هذه المعطيات، ندرك أن الدرجة -40 سيلسيوس تعادل -40 فهرنهايت, وهذا يدل على أن ميزان الحرارة في الطائرة يعمل بشكل صحيح.
- مثال (3): في أحد أيام الصيف، سجلت درجة الحرارة 50 سيلسيوس في منطقة ما. كيف يمكن تحويل هذه الدرجة إلى فهرنهايت؟
الحل: لتحويل 50 سيلسيوس إلى فهرنهايت نستخدم علاقة التحويل:
ف = س × 1.8 + 32
ف = 50 × 1.8 + 32
ف = 90 + 32
ف = 122 فهرنهايت.
هذه هي درجة الحرارة في تلك المنطقة في نفس الوقت الذي قيست فيه بالسيلسيوس.