المقاييس الحرارية: صيغ ، أمثلة ، تمارين محلولة - جسدي - بدني - 2024

على جداول حراري هي تلك المستخدمة في قياس درجة الحرارة، ومقياس حجم يستخدم لقياس الطاقة الحرارية للنظام. يجب أن يشتمل الجهاز المستخدم لقياس درجة الحرارة ، أي مقياس الحرارة ، على مقياس ليتمكن من أخذ القراءة.

لإنشاء مقياس مناسب ، عليك أن تأخذ نقطتين مرجعيتين وتقسيم الفاصل الزمني بينهما. هذه التقسيمات تسمى درجات. وبهذه الطريقة ، تتم مقارنة درجة حرارة الجسم المراد قياسه ، والتي يمكن أن تكون درجة حرارة القهوة أو الحمام أو درجة حرارة الجسم ، مع المرجع المحدد على الجهاز.

الشكل 1. تخرج ميزان الحرارة بمقياس سيليزيوس. المصدر: Pixabay.

أكثر مقاييس درجة الحرارة شيوعًا هي مقياس مئوية وفهرنهايت وكلفن ورانكين. كلها مناسبة بنفس القدر لقياس درجة الحرارة ، لأن النقاط المختارة كنقاط مرجعية عشوائية.

في كل من المقياس المئوي وفهرنهايت ، لا يشير الصفر في المقياس إلى عدم وجود درجة حرارة. لهذا السبب فهي مقاييس نسبية. من ناحية أخرى ، بالنسبة لمقياس كلفن ومقياس رانكين ، يمثل الرقم 0 توقف النشاط الجزيئي ، وبالتالي يعتبران مقاييس مطلقة.

مقياس مئوية

اخترع هذا المقياس عالم الفلك السويدي أندرس سي. سيليزيوس (1701-1744) في القرن الثامن عشر ، حوالي عام 1735. هذا المقياس بديهي جدًا ، يستخدم نقطة التجمد ونقطة غليان الماء عند الضغط الجوي العادي (1 ضغط جوي) كنقاط مرجعية.

الماء مادة عالمية مناسبة جدًا لهذا الغرض ، ومن السهل الحصول على قيمها في المختبر.

على مقياس سيليزيوس ، تكون نقطة تجمد الماء هي النقطة التي تتوافق مع 0 درجة مئوية ونقطة الغليان إلى 100 درجة مئوية ، على الرغم من أن الدرجة المئوية في الأصل اقترحتهم في الاتجاه المعاكس وبعد ذلك تم عكس الترتيب. يوجد بين هاتين القيمتين المرجعيتين 100 قسم متطابق ، وهذا هو السبب في أنه يشار إليه أحيانًا على أنه مقياس درجة مئوية.

المعادلات

لإنشاء تكافؤ بين درجات مئوية ومقاييس درجة حرارة أخرى ، يجب أخذ جانبين في الاعتبار:

- العلاقة بين مقياس سلزيوس والمقياس الآخر خطية ، لذلك فهي من الشكل:

ص = م س + ب

- عليك معرفة النقاط المرجعية لكلا المقياسين.

مثال: التكافؤ بين مقياسي سيليزيوس وفهرنهايت

لنفترض أن T _{ºC هي} درجة الحرارة على مقياس مئوية و T _andF درجة الحرارة على مقياس فهرنهايت ، لذلك:

من المعروف أن 0ºC = 32ºF و 100ºC = 212ºF. نستبدل هذه القيم في المعادلة السابقة ونحصل على:

هذا نظام من معادلتين خطيتين بهما مجهولان ، يمكن حلهما بأي من الطرق المعروفة. على سبيل المثال ، عن طريق التخفيض:

________________

بمعرفة m ، نحصل على b بالتغيير:

الآن نعوض بقيمتي m و b في معادلة التكافؤ للحصول على:

T _{° C} = (5/9). T _{درجة فهرنهايت} - (160/9) = (5T _{درجة فهرنهايت} -160) / 9

بالتساوي: T _{° C} = (5/9). (T _ºF - 32)

تسمح هذه المعادلة بتمرير درجات فهرنهايت إلى درجات سلزية مباشرةً ، فقط عن طريق كتابة القيمة حيث تظهر T _ºF.

مثال: التكافؤ بين مقياسي Celsius و Kelvin

تم إجراء العديد من التجارب لمحاولة قياس الصفر المطلق لدرجة الحرارة ، أي القيمة التي يختفي فيها كل نشاط جزيئي في الغاز. هذه درجة الحرارة قريبة من -273 درجة مئوية.

لنفترض أن T _{K هي} درجة الحرارة في كلفن - كلمة "درجة" غير مستخدمة لهذا المقياس - ، التكافؤ هو:

أي أن المقاييس تختلف من حيث أن مقياس كلفن لا يحتوي على قيم سالبة. في علاقة السلزيوس بالفهرنهايت ، ميل الخط يساوي 5/9 وفي هذه الحالة يساوي 1.

الكلفن والدرجات المئوية هي نفس الحجم ، فقط أن مقياس كلفن ، كما يتضح مما سبق ، لا يتضمن قيم درجة حرارة سالبة.

مقياس فهرنهايت

كان دانيال فهرنهايت (1686-1736) فيزيائيًا بولندي المولد من أصل ألماني. حوالي عام 1715 ، صنع فهرنهايت مقياس حرارة بمقياس يعتمد على نقطتين مرجعيتين تم اختيارهما بشكل عشوائي. منذ ذلك الحين يتم استخدامه على نطاق واسع في البلدان الناطقة باللغة الإنجليزية.

في الأصل ، اختار فهرنهايت درجة حرارة خليط من الثلج والملح لنقطة التحديد السفلية وضبطها على 0 درجة. بالنسبة للنقطة الأخرى ، اختار درجة حرارة جسم الإنسان وضبطها على 100 درجة.

مما لا يثير الدهشة ، أنه واجه بعض الصعوبات في تحديد درجة حرارة الجسم "الطبيعية" ، لأنها تتغير على مدار اليوم ، أو من يوم إلى آخر ، دون أن يكون الشخص بالضرورة مريضًا.

اتضح أن هناك أشخاصًا أصحاء تمامًا تبلغ درجة حرارة أجسامهم 99.1 درجة فهرنهايت ، بينما من الطبيعي بالنسبة للآخرين 98.6 درجة فهرنهايت. هذا الأخير هو متوسط ​​القيمة لعامة السكان.

لذلك كان لا بد من تغيير النقاط المرجعية لمقياس فهرنهايت لنقطة تجمد الماء ، والتي تم ضبطها عند 32 درجة فهرنهايت ونقطة الغليان عند 212 درجة فهرنهايت. أخيرًا ، تم تقسيم المقياس إلى 180 فترة متساوية.

حول الدرجات فهرنهايت إلى درجات مئوية

من المعادلة الموضحة أعلاه ، يتبع ذلك:

بالطريقة نفسها ، يمكننا اعتبارها على النحو التالي: مقياس سلزيوس له 100 درجة ، ومقياس فهرنهايت 180 درجة. لذلك ، لكل زيادة أو نقصان بمقدار 1 درجة مئوية ، هناك زيادة أو نقصان بمقدار 1.8 درجة فهرنهايت = (9/5) º فهرنهايت

مثال

باستخدام المعادلات السابقة ، ابحث عن صيغة تسمح لك بالانتقال من مقياس فهرنهايت إلى مقياس كلفن:

مع العلم أن: T _ºC = T _K - 273 والاستبدال في المعادلة المستخلصة بالفعل ، لدينا:

T _ºC = T _K - 273

لذلك: T _ºF = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459.4

مقياس كلفن

اقترح ويليام طومسون (1824-1907) ، اللورد كلفن ، مقياسًا بدون نقاط مرجعية عشوائية. هذا هو مقياس درجة الحرارة المطلق الذي يحمل اسمه ، والذي تم اقتراحه عام 1892. ليس له قيم درجة حرارة سالبة ، حيث أن الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة ممكنة.

عند درجة حرارة 0 كلفن ، تتوقف أي حركة للجزيئات تمامًا. هذا هو مقياس النظام الدولي (SI) ، على الرغم من أن المقياس المئوي يعتبر أيضًا وحدة ملحقة. تذكر أن مقياس كلفن لا يستخدم "درجات" ، لذلك يتم التعبير عن أي درجة حرارة بالقيمة العددية بالإضافة إلى الوحدة المسماة "كلفن".

حتى الآن لم يكن من الممكن الوصول إلى الصفر المطلق ، لكن العلماء اقتربوا كثيرًا.

في الواقع ، في المختبرات المتخصصة في درجات الحرارة المنخفضة ، تمكنوا من تبريد عينات الصوديوم إلى 700 نانوكلفن أو 700 × 1010 ^-9 كلفن. من ناحية أخرى ، في الطرف الآخر من المقياس ، من المعروف أن الانفجار النووي يمكن أن يولد درجات حرارة تصل إلى 100 مليون كلفن أو أكثر.

كل كلفن يتوافق مع 1 / 273.16 جزء من درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء. عند درجة الحرارة هذه ، تكون المراحل الثلاث للماء في حالة توازن.

مقياس كلفن ومقياس سلزيوس وفهرنهايت

العلاقة بين مقياسي كلفن ودرجة مئوية تتراوح من 273.16 إلى 273-:

وبالمثل ، عن طريق الاستبدال ، يتم الحصول على علاقة بين مقياسي كلفن وفهرنهايت:

مقياس رانكين

تم اقتراح مقياس رانكين بواسطة ويليام رانكين ، وهو مهندس اسكتلندي المولد (1820-1872). باعتباره رائد الثورة الصناعية ، قدم مساهمات كبيرة في الديناميكا الحرارية. في عام 1859 اقترح مقياس درجة حرارة مطلقة ، حيث حدد الصفر عند -459.67 درجة فهرنهايت.

على هذا المقياس ، يكون حجم الدرجات هو نفسه على مقياس فهرنهايت. يُشار إلى مقياس رانكين على أنه R وكما هو الحال مع مقياس كلفن ، فإن قيمه لا تسمى درجات ، بل بالأحرى رانكين.

بهذا الشكل:

0 K = 0 R = −459.67 درجة فهرنهايت = - 273.15 درجة مئوية

باختصار ، إليك التحويلات اللازمة للانتقال إلى مقياس رانكين من أي من تلك التي سبق وصفها:

الشكل 2. تحويلات مقياس درجة حرارة رانكين. المصدر: F. Zapata.

مقياس ريومور

مقياس درجة حرارة آخر مستخدم سابقًا هو مقياس Réaumur ، والذي يُشار إليه بالدرجات أو ºR. إنه غير مستخدم حاليًا ، على الرغم من استخدامه على نطاق واسع في أوروبا حتى تم إزاحته بمقياس سيليزيوس.

تم إنشاؤه بواسطة René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) حوالي عام 1731. مراجعها هي: 0 ° R لنقطة تجمد الماء و 80 ° R لنقطة الغليان.

كما يمكن رؤيته ، فإنه يتزامن مع مقياس سيليزي عند الصفر ، ولكن بالتأكيد ليس عند القيم الأخرى. يتعلق بمقياس الدرجة المئوية من خلال:

وبما أن درجات الحرارة يجب أن تتطابق ، فإن T _ºC = T _ºF = x ، فإن ذلك يتبع:

عندما T _ºC = -40 ºC ، أيضًا T _ºF = -40 ºF

تمرين 2

البخار الذي يخرج من الغلاية يكون عند درجة حرارة 610 R. أوجد درجة الحرارة بالدرجات فهرنهايت وبالدرجات السلزية.

المحلول

يتم استخدام المعادلات الموجودة في قسم مقياس ريومور ، لذلك: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 درجة مئوية = 762.5 درجة مئوية.

يمكنك بعد ذلك تحويل هذه القيمة التي تم العثور عليها إلى درجات فهرنهايت ، أو استخدام آخر من التحويلات المذكورة:

أو هذا الآخر الذي يعطي نفس النتيجة: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

يتم حلها: T _ºF = (9/4) T _ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 F = 1404.5 F.

ملخص التحويلات

باختصار ، يقدم الجدول التالي التحويلات لجميع المقاييس الموضحة:

الشكل 3. جدول التحويلات لمقاييس درجة الحرارة. المصدر: F. Zapata.

المراجع

1. موازين درجة الحرارة. تم الاسترجاع من: thales.cica.es.
2. Knight، R. 2017. الفيزياء للعلماء والهندسة: نهج إستراتيجي. بيرسون.
3. تيليري ، ب. 2012. العلوم الفيزيائية. ماكجرو هيل.
4. ويكيبيديا. درجة مئوية. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org
5. ويكيبيديا. درجة فهرنهايت. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.
6. ويكيبيديا. رانكين. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.