الحرارة (Heat) هي إحدى أشكال الطاقة والتي يترافق معها حركة الذرات أو الجزيئات أو أي جسيم يدخل في تركيب المادة. بالإمكان الحصول على الحرارة عن طريق التفاعلات الكيماوية كالاحتراق، أو التفاعلات النووية كالانصهار النووي الذي يحدث في الشمس أو التبدد الكهرومغناطيسي كما يحدث في المواقد الكهربائية أو الميكانيكي (الحركي) مثل الاحتكاك. يمكن للحرارة أن تتنقل بين الأجسام عن طريق الإشعاع أو التوصيل حراري أو الحمل الحراري. لا يمكن للحرارة أن تنتقل بين جسمين أو بين نقطتين في جسم واحد إلا إن كانت درجات الحرارة بينهما مختلفة. درجة الحرارة هي مقياس لمدى سخونة جسم ما أو برودته. تسمى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة بالسعة الحرارية. السعة الحرارية لكل مادة محددة ومعروفة. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة ما درجة واحدة تسمى بالحرارة النوعية وهي تعتمد على حالة المادة وتركيبها الكيماوي. عند احتراق الوقود تصدر كمية من الحرارة تعرف باسم القيمة الحرارية للوقود وتقدر عادة بالوحدة الحرارية البريطانية. خلال عملية تحول مادة نقية من حالة إلى أخرى يتم فقد حرارة أو اكتسابها دون أي تغير في درجات الحرارة وتعرف كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة إبان عملية التحول باسم الحرارة الكامنة وتعتمد بشكل مباشر على نوعية المادة وحالتها الابتدائية والنهائية.
فهرس |
ميزان الحرارة
اداة لقياس درجة الحرارة هناك انواع مختلفة منها ، و كلها تعمل بقياس خاصية تتغير مع درجة الحرارة
خاصية حرارية
تقيس موازين الحرارة السائلية ، مثلاً حجم السائل (تكون معايرة. بحيث تشير زيادة الحجم إلى ارتفاع درجة الحرارة)
ميزان الحرارة السائلي
نوع شائع من موازين الحرارة يقيس درجة الحرارة بتمدد السائل في انبوب زجاجي دقيق (انبوب شعري capillary). تحتوي بصلة زجاجية على سائل يكون عادة زئبقاً او كحولا ملونا. و هما سائلان يستجيبانلتغير درجة الحرارة ـيستخدم الزئبق لدرجات الحرارة العالية و الكحول لدرجات الحرارة المتدنية.
- مثال على ميزان الحرارة السائلي:
ميزان حرارة طبي : يستخدم لقياس درجة حرارة الجسم ، و لذلك يكون مدى درجات حرارته منخفضاً نسبياً و تكون تدريجاته متوسطة لاعطاء قراءة دقيقة. مكوناته: يوجد في ميزان الحرارة الطبي سلم ينتهي عادةً عند درجة حرارة 43 مئوية ، و يوجد في السلم أعشار الدرجة ( سلزيوس ). و يوجد في الميزان الطبي عمود ضيق من الزئبق لانه كمد و تكبِّره ساق زجاجية مثلثة. يوجد ايضاً في الميزان الطبي للحرارة تخصر في أول انبوب الزجاج يتمدد الزئبق المتمدد و يندفع و يتجاوزه . و يوجد انبوب شعري يحيط بالعمود الضيق الذي يحوي الزئبق. خصائص ميزان الحرارة الطبي:
- يتحرك الزئبق مسافة مرئية عند كل تغير في درجة الحرارة .
- عندما يبرد الزئبق و يتقلص ، لا يمكن ان يتراجع اإلى البصلة إلا بالرج (مما يتيح وقتاص للقراءة) .ـ تكون جدران البصلة الزجاجية رقيقة حتى يسخن الزئبق سريعاً.
- موازين الحرارة القصوى maximum thermometers و الدنيا minimum :
موازين حرارة سائلية تسجل درجة الحرارة القصوى أو الدنيا التي يتم بلوغها في فترة زمنية محددة. و هي تحتوي على مؤشر index معدني زجاجي يدفعه السطح الهلالي meniscu للسائل إلى اعلى أو يسحبه إلى أسفل . يبقى المؤشر عند الموضع الاقصى أو الادنى الذي يبلغه أثناء الفترة التي يترك فيها ميزان الحرارة . و يعاد ضبطه بواسطة مغناطيس .
أنواع اخرى من موازين الحرارة
- ميزان الحرارة الكهربائي :
يقيس درجة الحرارة من تغير المقاومة الذي يحدث بنتيجتها في السلك. و تستخد اجهزة أخرى اسفل جناحي الطائرة مثلاً، لقياس تغير المقاومة في المقومات الحرارية .
المزدوجة الحرارية
تستخدم القوة المحركة الكهربائية التي تنشأ عبر الوصلات المعدنية لقياس اختلاف درجة الحرارة .
- بعض التعريفات المتعلقة بالحرارة:
النقطة الثابتة: درجة حرارة تحدث عندها تغيرات ملحوظة ( في شروط محددة ) ، و من ثم يمكن إعطاؤها قيمة تقاس بالنسبة لها درجات الحرارة الأخرى كافة . من امثلتها نقطة الجليد ICE POINT ( درجة الحرارة التي ينصهر عندها الجليد النقي ) و نقطة البخار STEAM POINT ( درجة حرارة البخار فوق الماء المغلية تحت الضغط الجوي ). و تستخدم نقطتان ثابتتان لمعايرة ميزان الحرارة ( نقطة ثابتة دنيا و نقطة ثابتة عليا ). و تمثل المسافة بين هاتين النقطتين المدى الاساسي FUNDAMENTAL INTERVAL) ).
- سلم درجة الحرارة المطلقة absolute tempreture scale أو الدينامية الحرارية thermodynamic :
سلم معياري لدرجات الحرارة يستخدم وحدة تسمى كلفن (ك) Kelvin . تعطى قيمة الصفر لأدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها نظرياً ، و تسمى الصفر المطلق absolute zero . و يتعذر الوصول إلى درجة حرارة أدنى لأن ذلك يتطلب حجماً سالباً و هو أمر متعذر الوجود .
- سلم سلزيوس:
سلم معياري لدرجات الحرارة مماثل في تدريجه لسلم درجة الحرارة المطلقة، لكن يعطي الصفر لنقطة الجليد و درجة المئة لنقطة البخار .
- سلم فهرنهايت :
سلم قديم تعطى فيه درجة 32 ف لنقطة الجليد و 212 ف لنقطة البخار . و قلما يستعمل هذا السلم في الاغراض العلمية .
انتقال الحرارة
حيثما يوجد اختلاف في درجة الحرارة ، تنتقل الطاقة الحرارية heat energy بالنقل أو الحمل أو الإشعاع من المكان الاسخن إلى الابرد. يزيد ذلك الطاقة الداخلية internal energy للذرات الابرد فترتفع درجة حرارتها و تنخفض طاقة الذرات الاسخن فتتدنى درجة حرارتها. و يستمر ذلك حتى تتساوى درجة الحرارة في المنطقة ( تسمى هذه الحالة الاتزان الحراري thermal equilibrium .
طرق انتقال الحرارة
التوصيل او النقل conduction أو النقل الحراري thermal conduction : الطريقة التي تنتقل فيها الحرارة في الأجسام الصلبة ( و كذلك في السوائل ، و الغازات ، على نطاق أضيق ) . تنتقل الطاقة في النواقل conductors الجيدة بسرعة ، و يحدث ذلك أساساً بحركة الالكترونات الحرة . فضلاً ايضاً عن اهتزاز الذرات . الحمل conviction : طريقة تنتقل بها الطاقة في السوائل و الغازات . إذا سخن غاز أو سائل فإنه يتمدد فتقل كثافته و يرتفع ، و ينخفض الغاز أو السائل الأبرد ليحتل مكانه . و هكذا ينشأ تيار الحمل . الإشعاع radiation : طريقة لانتقال الطاقة من مكان ساخن إلى مكان بارد دون ان يكون للوسط medium أي دور. يمكن ان يحصل ذلك داخل الخلاء ، على عكس النقل و الحمل . و يستخدم مصطلح (( الإشعاع)) كثيراً للإشارة إلى الطاقة الحرارية نفسها التي تسمى بخلاف ذلك الطاقة الحرارية المشعة radiant heat energy . يأخذ الإشعاع شكل موجات كهرومغناطيسية electromagnetic waves ، و خصوصاً الإشعاع تحت الأحمر infrared radiation . أدنى درجات حرارة معدلها 56.6 درجة تحت الصفركامل السنة في المحيط المتجمد الشمالي . لا تعرف الأرض الاعتدال في الطقس ، فهي شديدة الحرارة في مناطق معينة و شديدة البرودة في أماكن أخرى . لقد تم تسجيل أعلى درجة حرارة في الجزائر سنة ،1884 فكانت 53 درجة مئوية . و في سنة 1913 وصلت درجة الحرارة إلى 56,7 درجة مئوية في منطقة واد الموت بكاليفورنيا. و في سنة 1922 بلغت درجة الحرارة 58 درجة مئوية و ذلك في العزيزية بليبيا . أما انخفاض درجة الحرارة فقد تم تسجيلها في احدى جزر كندا إلى 58,3 تحت الصفر سنة 1885 و تم تسجيل 68 درجة تحت الصفر في أصقاع سيبيريا في سنوات 1885 و 1892 و .1933 و نعلم أن القطب الجنوبي و القطب الشمالي هما أكثر بقاع الأرض برودة على الاطلاق .