الحرارة: الصيغ والوحدات ، الخصائص ، كيفية قياسها ، الأمثلة - جسدي - بدني - 2025

تُعرَّف الحرارة في الفيزياء بأنها الطاقة الحرارية المنقولة عندما تلامس أشياء أو مواد في درجات حرارة مختلفة. إن نقل الطاقة هذا وجميع العمليات المتعلقة به ، هو موضوع دراسة الديناميكا الحرارية ، وهو فرع مهم من فروع الفيزياء.

الحرارة هي أحد الأشكال العديدة التي تأخذها الطاقة ، وهي واحدة من أكثرها شيوعًا. حتى أين أتى؟ تكمن الإجابة في الذرات والجزيئات التي تتكون منها المادة. هذه الجسيمات داخل الأشياء ليست ثابتة. يمكننا أن نتخيلها كخرزات صغيرة مرتبطة بزنبركات ناعمة قادرة على الانكماش والتمدد بسهولة.

تهتز الذرات والجزيئات داخل المواد ، والتي تترجم إلى طاقة داخلية. المصدر: P. Tippens. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات.

بهذه الطريقة ، يمكن للجسيمات أن تهتز ويمكن أن تنتقل طاقتها بسهولة إلى جزيئات أخرى ، وأيضًا من جسم إلى آخر.

تعتمد كمية الحرارة التي يمتصها الجسم أو يطلقها على طبيعة المادة وكتلتها والاختلاف في درجة الحرارة. يتم حسابه على النحو التالي:

حيث Q هي كمية الحرارة المنقولة ، m هي كتلة الجسم ، C _e هي الحرارة النوعية للمادة و ΔT = T _{النهائي} - T _الأولي ، أي فرق درجة الحرارة.

مثل جميع أشكال الطاقة ، تقاس الحرارة بالجول في النظام الدولي (SI). الوحدات المناسبة الأخرى هي: ergs في نظام cgs ، Btu في النظام البريطاني ، والسعرات الحرارية ، وهو مصطلح شائع الاستخدام لمحتوى الطاقة في الأطعمة.

خصائص الحرارة

الحرارة من نار المعسكر هي الطاقة في الانتقال. المصدر: Pixabay

هناك عدة مفاهيم أساسية يجب وضعها في الاعتبار:

- الحرارة تعني نقل الطاقة. لا تحتوي الأشياء على حرارة ، فهي تطلقها أو تمتصها فقط حسب الظروف. ما تمتلكه الأشياء هو الطاقة الداخلية ، بحكم تكوينها الداخلي.

هذه الطاقة الداخلية ، بدورها ، تتكون من الطاقة الحركية المرتبطة بالحركة الاهتزازية والطاقة الكامنة ، النموذجية للتكوين الجزيئي. وفقًا لهذا التكوين ، ستنقل المادة الحرارة بسهولة إلى حد ما أو أقل ، وينعكس ذلك في الحرارة الخاصة بها C _e ، القيمة التي تم ذكرها في المعادلة لحساب Q.

- المفهوم الثاني المهم هو أن الحرارة تنتقل دائمًا من الجسم الأكثر حرارة إلى الجسم الأكثر برودة. تشير التجربة إلى أن حرارة القهوة الساخنة تنتقل دائمًا نحو خزف الكوب والصحن ، أو معدن الملعقة التي تقلب بها ، وليس العكس.

- تعتمد كمية الحرارة المنقولة أو الممتصة على كتلة الجسم المعني. إن إضافة نفس الكمية من السعرات الحرارية أو الجول إلى عينة ذات كتلة س لا تسخن بنفس الطريقة التي تسخن بها عينة أخرى كتلتها 2X.

السبب؟ يوجد عدد أكبر من الجسيمات في العينة الأكبر ، وسيتلقى كل منها في المتوسط ​​نصف طاقة العينة الأصغر فقط.

التوازن الحراري والحفاظ على الطاقة

تخبرنا التجربة أنه عندما نضع جسمين في درجات حرارة مختلفة على اتصال ، بعد فترة ستكون درجة حرارة كلاهما كما هي. بعد ذلك يمكن القول أن الكائنات أو الأنظمة ، كما يمكن تسميتها أيضًا ، في حالة توازن حراري.

من ناحية أخرى ، عند التفكير في كيفية زيادة الطاقة الداخلية لنظام معزول ، استنتج أن هناك آليتين محتملتين:

ط) تسخينها ، أي نقل الطاقة من نظام آخر.

ب) القيام ببعض الأعمال الميكانيكية عليها.

مع الأخذ بعين الاعتبار الحفاظ على الطاقة:

في إطار الديناميكا الحرارية ، يُعرف مبدأ الحفظ هذا باسم القانون الأول للديناميكا الحرارية. نقول أنه يجب عزل النظام ، وإلا فسيكون من الضروري مراعاة مدخلات أو مخرجات الطاقة الأخرى في الميزان.

كيف يتم قياس الحرارة؟

تقاس الحرارة وفقًا للتأثير الذي تنتجه. لذلك فإن حاسة اللمس هي التي تخبرنا بسرعة عن مدى سخونة أو برودة مشروب أو طعام أو أي شيء. نظرًا لأن نقل الحرارة أو امتصاصها ينتج عنه تغيرات في درجة الحرارة ، فإن قياس هذا يعطي فكرة عن مقدار الحرارة التي تم نقلها.

الأداة المستخدمة لقياس درجة الحرارة هي الترمومتر ، وهو جهاز مزود بمقياس متدرج لإجراء القراءة. أشهرها هو مقياس الحرارة الزئبقي ، والذي يتكون من شعيرات دقيقة من الزئبق تتمدد عند تسخينها.

ميزان حرارة مع تخرج بمقياسين سيليزيوس وفهرنهايت. المصدر: Pixabay.

بعد ذلك ، يتم إدخال الشعيرات الدموية المملوءة بالزئبق في أنبوب زجاجي بميزان ويتم وضعه في اتصال مع الجسم ، ويجب قياس درجة حرارته حتى يصلوا إلى التوازن الحراري وتكون درجة حرارة كلاهما متساوية.

ما هو المطلوب لعمل مقياس حرارة؟

بادئ ذي بدء ، يجب أن يكون لديك بعض الخصائص الحرارية ، أي خاصية تختلف باختلاف درجة الحرارة.

على سبيل المثال ، يتمدد غاز أو سائل مثل الزئبق عند تسخينه ، على الرغم من وجود مقاومة كهربائية تعمل أيضًا ، والتي تنبعث منها حرارة عندما يمر تيار من خلالها. باختصار ، يمكن استخدام أي خاصية قياس حراري يمكن قياسها بسهولة.

إذا كانت درجة الحرارة t تتناسب طرديًا مع الخاصية الحرارية X ، فيمكن كتابتها:

حيث k هو ثابت التناسب الذي يتعين تحديده عند ضبط درجتي حرارة مناسبتين ويتم قياس القيم المقابلة لـ X. درجات الحرارة المناسبة تعني سهولة الحصول عليها في المختبر.

بمجرد إنشاء الأزواج (t ₁ ، X ₁) و (t ₂ ، X ₂) ، يتم تقسيم الفاصل الزمني بينهما إلى أجزاء متساوية ، وستكون هذه هي الدرجات.

موازين درجة الحرارة

يتم اختيار درجات الحرارة اللازمة لإنشاء مقياس درجة الحرارة وفقًا لمعيار يسهل الحصول عليها في المختبر. أحد أكثر المقاييس استخدامًا حول العالم هو مقياس سيليزيوس ، الذي أنشأه العالم السويدي أندرس سيلسيوس (1701-1744).

0 على مقياس سيليزيوس هو درجة الحرارة التي يكون فيها الجليد والماء السائل في حالة اتزان عند ضغط جوي واحد ، بينما يتم اختيار الحد الأعلى عندما يكون الماء السائل وبخار الماء متوازنين بشكل متساوٍ وعند ضغط جوي واحد. هذا الفاصل الزمني مقسم إلى 100 درجة ، كل منها يسمى درجة مئوية.

ليست هذه هي الطريقة الوحيدة لبناء مقياس ، بعيدًا عن ذلك. هناك مقاييس أخرى مختلفة ، مثل مقياس فهرنهايت ، حيث تم اختيار الفترات بقيم أخرى. وهناك مقياس كلفن ، الذي له حد أدنى فقط: صفر مطلق.

يتوافق الصفر المطلق مع درجة الحرارة التي تتوقف عندها كل حركة الجسيمات في مادة ما تمامًا ، ومع ذلك ، على الرغم من اقترابها تمامًا ، إلا أنها لم تتمكن بعد من تبريد أي مادة إلى الصفر المطلق.

أمثلة

يتعرض الجميع للحرارة بشكل يومي ، سواء بشكل مباشر أو غير مباشر. على سبيل المثال ، عندما تتناول مشروبًا ساخنًا ، في شمس الظهيرة ، فحص درجة حرارة محرك السيارة ، في غرفة مليئة بالناس وفي مواقف أخرى لا حصر لها.

على الأرض ، الحرارة ضرورية للحفاظ على عمليات الحياة ، سواء التي تأتي من الشمس أو التي تأتي من باطن الكوكب.

وبالمثل ، فإن المناخ مدفوع بالتغيرات في الطاقة الحرارية التي تحدث في الغلاف الجوي. لا تصل حرارة الشمس إلى كل مكان بالتساوي ، عند خطوط العرض الاستوائية تصل إلى أكثر من القطبين ، لذلك يرتفع الهواء الأكثر سخونة في المناطق المدارية ويتحرك شمالًا وجنوبًا ، لتحقيق التوازن الحراري التي تم الحديث عنها من قبل.

وبهذه الطريقة تتشكل التيارات الهوائية بسرعات مختلفة تنقل السحب والأمطار. من ناحية أخرى ، يتسبب الاصطدام المفاجئ بين جبهات الهواء الساخن والبارد في حدوث ظواهر مثل العواصف والأعاصير.

في المقابل ، على مستوى أقرب ، قد لا تكون الحرارة موضع ترحيب مثل غروب الشمس على الشاطئ. تسبب الحرارة مشاكل تشغيل في محركات السيارات ومعالجات الكمبيوتر.

كما يتسبب في فقد الطاقة الكهربائية في كبلات التوصيل وتوسع المواد ، وهذا هو سبب أهمية المعالجة الحرارية في جميع مجالات الهندسة.

تمارين

- التمرين 1

يقرأ ملصق الحلوى أنه يوفر 275 سعرة حرارية. ما مقدار الطاقة بالجول التي تعادل هذه الحلوى؟

المحلول

في البداية ، تم ذكر السعرات الحرارية كوحدة للحرارة. يحتوي الطعام على طاقة تُقاس عادةً بهذه الوحدات ، لكن السعرات الحرارية الغذائية هي في الواقع سعرات حرارية.

التكافؤ هو كالتالي: 1 kcal = 4186 J ، ويستنتج أن الحلوى تحتوي:

275 سعر حراري × 4186 جول / كيلو كالوري = 1.15 10 ⁶ ج.

- تمرين 2

يتم تسخين 100 غرام من المعدن إلى 100 درجة مئوية وتوضع في مسعر مع 300 غرام من الماء عند 20 درجة مئوية. درجة الحرارة التي يكتسبها النظام عندما يصل إلى التوازن هي 21.44 درجة مئوية. يُطلب منك تحديد الحرارة النوعية للمعدن ، بافتراض أن المسعر لا يمتص الحرارة.

المحلول

في هذه الحالة ، يتخلى المعدن عن الحرارة ، والتي سنسميها Q _معطى وتوضع علامة (-) قبلها للإشارة إلى الخسارة:

من جانبه ، يمتص الماء الموجود في المسعر الحرارة ، والتي سيتم الإشارة إليها على أنها تمتص Q:

تُحفظ الطاقة ، ويترتب على ذلك:

من البيان يمكنك حساب ΔT:

هام: 1 درجة مئوية هي نفس حجم 1 كلفن. الفرق بين المقياسين هو أن مقياس كلفن مطلق (درجات كلفن موجبة دائمًا).

الحرارة النوعية للماء عند 20 درجة مئوية هي 4186 جول / كجم. K وبهذا يمكن حساب الحرارة الممتصة:

في الختام ، يتم مسح الحرارة النوعية للمعدن:

المراجع

1. باور ، دبليو 2011. فيزياء الهندسة والعلوم. المجلد 1. ماكجرو هيل.
2. Cuellar ، JA Physics II: نهج حسب الكفاءات. ماكجرو هيل.
3. كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. 6 ^t اختصار التحرير. سينجاج ليرنينج.
4. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
5. Tippens ، P. 2011. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات. الإصدار السابع. ماكجرو هيل