ما الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة؟

تيشع المبرد ويشعر بالسخونة. اغمس إصبعك في ماء الصنبور وهو يشعر بالبرد. هذا لا تفكير! ولكن ماذا لو لامس دب قطبي ، اعتاد على تجميد درجات الحرارة في القطب الشمالي ، نفس الأشياء؟ قد يشعر كلاهما بالدفء على الدب القطبي لأنه يعيش في ظروف أكثر برودة مما نحن عليه الآن. “ساخن” و “بارد” عبارة نسبية يمكننا استخدامها لمقارنة ما تشعر به الأشياء عندما يكون لديها قدر أو أقل من نوع معين من الطاقة نسميه الحرارة . ما هو ، من أين أتى ، وكيف يتحرك حول عالمنا؟ دعنا نكتشف المزيد!

الصورة: الآن هذا ما أسميه الحرارة! درجة حرارة عادم الصاروخ الساخن الذي يمكنك رؤيته هنا ، أثناء إطلاق مكوك الفضاء ، هو شيء مثل 3300 درجة مئوية (6000 درجة فهرنهايت). صورة بإذن من وكالة ناسا في العموم .

ما هي الحرارة على أي حال؟

الحرارة هي طريقة مختصرة لقول “الطاقة الحرارية”. عندما يكون هناك شيء ساخن ، يكون لديه الكثير من الطاقة الحرارية ؛ عندما يكون الجو باردًا ، يكون أقل. ولكن حتى الأشياء التي تبدو باردة (مثل الدببة القطبية والجبل الجليدي) لديها طاقة حرارية أكثر مما تفترض.

العمل الفني: الأشياء الأكثر سخونة لديها طاقة حرارية أكثر من الأشياء الأكثر برودة. ذلك لأن الذرات أو الجزيئات تتحرك أسرع في الأشياء الساخنة (الأحمر ، الأيمن) مما تفعله في الأشياء الباردة (الأزرق ، الأيسر). تسمى هذه الفكرة النظرية الحركية.

يمكن للأشياء أن تخزن الحرارة لأن الذرات والجزيئات الموجودة داخلها تتصادم وتلتقي ببعضها البعض مثل الناس في الحشد. تسمى هذه الفكرة النظرية الحركية للمادة ، لأنها تصف الحرارة كنوع من الطاقة الحركية ( الطاقة التي تمتلكها الأشياء لأنها تتحرك) المخزنة بواسطة الذرات والجزيئات التي تصنع منها المواد. تم تطويره في القرن التاسع عشر من قبل العديد من العلماء ، بما في ذلك الفيزيائي النمساوي لودفيج بولتزمان (1844-1906) والفيزيائي البريطاني جيمس كلارك ماكسويل (1831-1879). إذا كنت مهتمًا ، فإليك مقدمة أطول للنظرية الحركية .

تساعدنا النظرية الحركية على فهم أين تذهب الطاقة عندما نقوم بتسخين شيء ما. إذا وضعت مقلاة مليئة بالماء البارد على موقد ساخن ، فسوف تجعل الجزيئات في الماء تتحرك بسرعة أكبر. كلما زادت كمية الحرارة التي تزودها ، زادت سرعة تحرك الجزيئات وبعيدًا عن بعضها البعض. في النهاية ، يتصادمون كثيرًا لدرجة أنهم ينفصلون عن بعضهم البعض. عند هذه النقطة ، يتحول السائل الذي تقوم بتسخينه إلى غاز: يصبح الماء بخارًا ويبدأ في التبخر.روابط إعلانية

ماذا يحدث عندما لا يكون هناك حرارة على الإطلاق؟

لنفترض الآن أننا نجرب الخدعة المعاكسة. لنأخذ إبريقًا من الماء ونضعه في الثلاجة لتبريده. تعمل الثلاجة عن طريق إزالة الطاقة الحرارية من الطعام بشكل منهجي. ضع الماء داخل الثلاجة ويبدأ على الفور في فقدان الطاقة الحرارية. كلما فقدت المزيد من الحرارة ، زادت الطاقة الحركية التي تفقدها جزيئاتها ، وببطء تحركها ، وكلما اقتربت. قريبًا أو لاحقًا ، يقتربان بما يكفي ليثبتان معًا في البلورات. يتحول السائل إلى صلب ؛ وتجد نفسك مع إبريق من الجليد!

ولكن ماذا لو كان لديك ثلاجة فائقة مذهلة تستمر في تبريد الماء حتى تصبح أكثر برودة … وأكثر برودة … وأكثر برودة. يمكن للفريزر المنزلي ، إذا كان لديك واحدًا ، أن يخفض درجة الحرارة إلى مكان يتراوح بين -10 درجة مئوية و -20 درجة مئوية (14 درجة فهرنهايت إلى -4 درجة فهرنهايت). ولكن ماذا لو استمررت في التبريد أقل من ذلك ، مما أدى إلى التخلص من المزيد من الطاقة الحرارية؟ في نهاية المطاف ، ستصل إلى درجة حرارة تتوقف فيها جزيئات الماء تمامًا عن الحركة تمامًا لأنه لا يوجد لديها طاقة حركية على الإطلاق. لأسباب لن ندخلها هنا ، فإن درجة الحرارة السحرية هي −273.15 درجة مئوية (−459.67 درجة فهرنهايت) ونشير إليها على أنها صفر مطلق .

الصورة: قد يبدو الجليد باردًا ولكنه أكثر حرارة بكثير من الصفر المطلق. صورة من إريك ريغير مجاملة من US Fish & Wildlife Service .

نظريًا ، الصفر المطلق هو أدنى درجة حرارة يمكن أن يصل إليها أي شيء. من الناحية العملية ، من المستحيل عمليًا تبريد أي شيء كثيرًا – لقد حاول العلماء بجد ولكن لم يصلوا بالفعل إلى درجة حرارة منخفضة كهذه. تحدث أشياء مذهلة عندما تقترب من الصفر المطلق. بعض المواد ، على سبيل المثال ، يمكن أن تفقد كل مقاومتها تقريبًا وتصبح موصلات مذهلة للكهرباء تسمى الموصلات الفائقة . هناك موقع PBS رائع حيث يمكنك معرفة المزيد عن الصفر المطلق والأشياء الرائعة التي تحدث هناك.

ما الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة؟

الآن أنت تعرف عن الصفر المطلق ، من السهل أن ترى لماذا شيء مثل جبل جليدي (الذي يمكن أن يكون في درجة حرارة باردة حوالي 3-4 درجة مئوية أو تقريبًا حوالي 40 درجة فهرنهايت) حارًا نسبيًا. مقارنة بالصفر المطلق ، كل شيء في عالمنا اليومي ساخن لأن جزيئاته تتحرك حولها ولديها على الأقل بعض الطاقة الحرارية. كل شيء حولنا هو أيضًا في درجة حرارة أكثر حرارة من الصفر المطلق.

يمكنك أن ترى أن هناك صلة وثيقة بين مقدار الطاقة الحرارية لشيء ما ودرجة حرارته. فهل الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة هي نفس الشيء؟ لا! دعنا نوضح هذا:

• الحرارة هي الطاقة المخزنة داخل شيء ما.
• درجة الحرارة هي قياس مدى سخونة أو برودة شيء ما.

لا تخبرنا درجة حرارة الجسم عن مقدار الطاقة الحرارية التي يمتلكها. من السهل أن ترى لماذا لا إذا كنت تفكر في جبل جليدي ومكعب ثلج. كلاهما عند نفس درجة الحرارة تقريبًا ولكن لأن جبل الجليد لديه كتلة أكبر بكثير من مكعب الثلج ، فهو يحتوي على مليارات الجزيئات والمزيد من الطاقة الحرارية. يمكن أن يحتوي الجبل الجليدي على طاقة حرارية أكثر من فنجان قهوة أو قضيب حديدي ساخن. هذا لأنه أكبر ويحتوي على الكثير من الجزيئات ، كل منها لديه بعض الطاقة الحرارية. القهوة والقضيب الحديدي أكثر سخونة (درجة حرارة أعلى) ، ولكن جبل الجليد يحمل المزيد من الحرارة لأنه أكبر.

العمل الفني: الجبل الجليدي أبرد بكثير من فنجان من القهوة ولكنه يحتوي على المزيد من الطاقة الحرارية لأنه أكبر بكثير.

كيف يمكننا قياس درجة الحرارة؟

A الحرارة تدابير كيف الساخنة شيء هو، وليس مقدار الطاقة الحرارية التي يحتوي عليها. هناك شيئان بنفس درجة الحرارة ، ولكن يمكن أن يحتوي أحدهما على طاقة حرارية أكثر بكثير من الأخرى. يمكننا مقارنة درجات حرارة الأشياء المختلفة باستخدام مقياسين شائعين (وتعسفيين إلى حد ما) يسمى Celsius (أو مئوية) و Fahrenheit ، المسمى باسم الفلكي السويدي Anders Celsius (1701–1744) والفيزيائي الألماني Daniel Fahrenheit (1686–1736).

هناك أيضًا مقياس درجة حرارة علمي يسمى Kelvin (أو المقياس المطلق) ، المسمى للفيزيائي البريطاني William William Thompson (لاحقًا اللورد Kelvin ، 1824-1907). منطقياً ، يعتبر مقياس كلفن أكثر منطقية للعلماء لأنه يمتد لأعلى من الصفر المطلق (والذي يُعرف أيضًا باسم 0K ، بدون رمز درجة بين الصفر و K). سترى الكثير من درجات حرارة كلفن في الفيزياء ، لكنك لن تجد متنبئين بالطقس يمنحك درجات حرارة بهذه الطريقة. للتسجيل ، يأتي يوم حار بدرجة معقولة (20-30 درجة مئوية) في شيء مثل 290-300 ألف: ما عليك سوى إضافة 273 إلى الرقم المئوي الخاص بك لتحويله إلى كلفن.

كيف تنتقل الحرارة؟

شيء واحد ربما لاحظته عن الحرارة هو أنه لا يبقى بشكل عام في المكان الذي تضعه فيه. تصبح الأشياء الساخنة أكثر برودة ، والأشياء الباردة تزداد سخونة ، ومع مرور الوقت الكافي ، تنتهي معظم الأشياء في النهاية بنفس درجة الحرارة. كيف ذلك؟

هناك قانون أساسي للفيزياء يسمى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، وينص ، بشكل أساسي ، على أن أكواب القهوة دائمًا ما تبرد وأن الآيس كريم يذوب دائمًا: تتدفق الحرارة من الأشياء الساخنة إلى الباردة ولا تتعارض أبدًا. أنت لا ترى أبدًا القهوة تغلي من تلقاء نفسها أو الآيس كريم يزداد برودة في الأيام المشمسة! القانون الثاني للديناميكا الحرارية مسؤول أيضًا عن فواتير الوقود المؤلمة التي تسقط عبر صندوق البريد الخاص بك عدة مرات في السنة. باختصار: كلما زادت درجة حرارة منزلك وجعله أبرد بالخارج ، ستفقد المزيد من الحرارة. لتقليل هذه المشكلة ، تحتاج إلى فهم الطرق الثلاث المختلفة التي يمكن أن تنتقل بها الحرارة: تسمى التوصيل والحمل الحراري والإشعاع. في بعض الأحيان سترى هذه يشار إليها باسم ثلاثة أشكال من نقل الحرارة .

التوصيل

الصورة: يحمل التوصيل الحرارة من الفرن الموجود في منتصف هذه الصورة إلى جميع قطع المعدن التي تلمسها – مما يجعلها حمراء اللون أيضًا. تم التقاط الصورة بواسطة LW Wisenburg في Rock Island Arsenal بإذن من Imagery Defense.

التوصيل هو كيفية تدفق الحرارة بين جسمين صلبين عند درجات حرارة مختلفة ولمس أحدهما الآخر (أو بين جزأين من نفس الجسم الصلب إذا كانا في درجات حرارة مختلفة). امشِ على أرضية حجرية في قدميك العاريتين وشعرت بالبرد لأن الحرارة تتدفق بسرعة من جسمك إلى الأرض عن طريق التوصيل. قلّب قدرًا من الحساء بملعقة معدنية وستضطر قريبًا إلى العثور على ملعقة خشبية بدلاً من ذلك: تنتقل الحرارة بسرعة على طول الملعقة عن طريق التوصيل من الحساء الساخن إلى أصابعك.

الحمل

صورة: كيف يضخ الحمل الحراري الحرارة في قدر. يعمل نمط الاحترار وارتفاع الحساء (الأسهم الحمراء) والسقوط ، حساء التبريد (الأسهم الزرقاء) مثل ناقل يحمل الحرارة من الموقد إلى الحساء (الأسهم البرتقالية).

الحمل الحراري هو الطريقة الرئيسية لتدفق الحرارة عبر السوائل والغازات. ضعي مقلاة من الحساء البارد والسائل على موقدك وشغلي الحرارة. الحساء في قاع المقلاة ، أقرب إلى الحرارة ، يسخن بسرعة ويصبح أقل كثافة (أخف) من الحساء البارد أعلاه. ترتفع الشوربة الأكثر دفئًا للأعلى والشوربة الباردة فوقها تسقط لتحل محلها. سرعان ما يكون لديك دوران للحرارة يمر عبر المقلاة ، يشبه إلى حد ما ناقل حراري غير مرئي ، مع ارتفاع درجة الحرارة وزيادة الحساء والتبريد ، وانخفاض الحساء. تدريجيا ، يسخن عموم كله. الحمل الحراري هو أيضًا أحد الطرق التي تسخن بها منازلنا عند تشغيل التدفئة. يسخن الهواء فوق السخانات ويرتفع في الهواء ، ويدفع الهواء البارد للأسفل من السقف. قبل فترة طويلة ، هناك تداول مستمر يسخن الغرفة بأكملها تدريجيًا.

إشعاع

الصورة: تُظهر الصور الحرارية بالأشعة تحت الحمراء (تسمى أحيانًا مخططات الحرارة أو المخططات الحرارية) أن جميع الأجسام تعطي بعض الطاقة الحرارية عن طريق الإشعاع. في هاتين الصورتين ، يمكنك رؤية صاروخ على منصة الإطلاق تم تصويره بكاميرا عادية (أعلاه) وكاميرا حرارية بالأشعة تحت الحمراء (أدناه). الأجزاء الأكثر برودة هي الأرجواني والأزرق والأسود. المناطق الأكثر حرارة هي الأحمر والأصفر والأبيض. تصوير ر. هورت ، وكالة ناسا / مختبر الدفع النفاث – كالتيك ، بإذن من وكالة ناسا.

الإشعاع هو الطريقة الرئيسية الثالثة التي تنتقل بها الحرارة. ينقل التوصيل الحرارة من خلال المواد الصلبة ؛ يحمل الحمل الحراري الحرارة من خلال السوائل والغازات ؛ لكن الإشعاع يمكن أن يحمل الحرارة من خلال فراغ – حتى من خلال فراغ. نحن نعلم ذلك ببساطة لأننا ما زلنا على قيد الحياة: كل ما نقوم به تقريبًا على الأرض يتم تشغيله عن طريق الإشعاع الشمسي الموجه نحو كوكبنا من الشمس عبر عواء الفضاء الفارغ. ولكن هناك الكثير من الإشعاع الحراري على الأرض أيضًا. اجلس بالقرب من حريق سجل الطقطقة وستشعر بالحرارة التي تنتشر للخارج وتحرق خديك. أنت لست على اتصال بالنار ، لذا فإن الحرارة لا تأتي إليك بالتوصيل ، وإذا كنت في الخارج ، فربما لا يحمل الحمل الحراري الكثير تجاهك أيضًا. بدلاً من ذلك ، كل الحرارة التي تشعر أنها تنتقل عن طريق الإشعاع – في خطوط مستقيمة ، بسرعة الضوء—يحملها نوع من الكهرومغناطيسية يسمى الأشعة تحت الحمراء .

لماذا تستغرق بعض الأشياء وقتًا أطول للتسخين من غيرها؟

يمكن للمواد المختلفة تخزين حرارة أكثر أو أقل اعتمادًا على هيكلها الذري أو الجزيئي الداخلي. يمكن للمياه ، على سبيل المثال ، تخزين كميات هائلة من الحرارة – وهذا أحد أسباب استخدامها في أنظمة التدفئة المركزية – على الرغم من أن تسخينها يستغرق وقتًا طويلاً نسبيًا. تسمح المعادن للحرارة بالمرور خلالها بشكل جيد للغاية وتسخن بسرعة ، لكنها ليست جيدة جدًا في تخزين الحرارة. يقال أن الأشياء التي تخزن الحرارة بشكل جيد (مثل الماء) لها سعة حرارية عالية .

تساعدنا فكرة السعة الحرارية المحددة على فهم الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة بطريقة أخرى. افترض أنك وضعت نحاساً فارغاًقدر فوق موقد ساخن بدرجة حرارة معينة. يقوم النحاس بتوصيل الحرارة بشكل جيد للغاية وله سعة حرارية منخفضة نسبيًا ، لذلك يسخن ويبرد بسرعة كبيرة (لهذا السبب تميل أواني الطهي إلى الحصول على قيعان نحاسية). ولكن إذا قمت بملء نفس المقلاة بالماء ، فسوف يستغرق الأمر وقتًا أطول للتسخين إلى نفس درجة الحرارة. لماذا ا؟ لأنك تحتاج إلى توفير المزيد من الطاقة الحرارية لرفع درجة حرارة الماء بنفس الكمية. السعة الحرارية المحددة للماء أعلى بما يقرب من 11 مرة من النحاس ، لذلك إذا كان لديك نفس الكتلة من الماء والنحاس ، فإن الأمر يتطلب 11 مرة من الطاقة لرفع درجة حرارة الماء بنفس عدد الدرجات.

الرسم البياني: تتميز المواد اليومية بسعات حرارية محددة مختلفة جدًا. تتمتع المعادن (الزرقاء) بقدرات حرارية محددة منخفضة: فهي توصل الحرارة جيدًا وتخزنها بشكل سيئ ، لذا فهي تشعر بالبرد عند لمسها. تحتوي المواد الخزفية / المعدنية (البرتقالية) على مكثفات حرارة محددة أعلى: فهي لا توصل الحرارة وكذلك المعادن ، وتخزنها بشكل أفضل ، وتشعر بالدفء قليلاً عند لمسها. تعمل المواد العازلة العضوية (الخضراء) ، مثل الخشب والجلد ، على توصيل الحرارة بشكل سيء جدًا وتخزينها جيدًا ، حتى تشعر بالدفء عند لمسها. مع سعة حرارية عالية جدًا ، يكون الماء (الأصفر) في فئة خاصة به.

يمكن أن تساعدك السعات الحرارية المحددة على فهم ما يحدث عندما تقوم بتسخين منزلك بطرق مختلفة في فصل الشتاء. يسخن الهواء بسرعة نسبيًا لسببين: الأول ، لأن السعة الحرارية المحددة للهواء تبلغ حوالي ربع الماء ؛ ثانيًا ، نظرًا لأن الهواء غاز ، فإن كتلته قليلة نسبيًا. إذا كانت غرفتك متجمدة وقمت بتشغيل سخان مروحة (حمل حراري) ، فستجد أن كل شيء يبدو أنه يسخن بسرعة كبيرة. هذا لأنك ببساطة تقوم بتسخين الهواء. قم بإيقاف تشغيل سخان المروحة وستبرد الغرفة بسرعة كبيرة أيضًا لأن الهواء ، في حد ذاته ، لا يملك الكثير من القدرة على تخزين الحرارة.

إذن كيف تجعل غرفتك دافئة حقًا؟ لا تنسى أنه ليس هناك هواء فقط تحتاج إلى تسخينه: هناك أثاث صلب وسجاد وستائر والكثير من الأشياء الأخرى أيضًا. يستغرق تسخين هذه الأشياء وقتًا أطول لأنها صلبة وأكثر ضخامة من الهواء. كلما زادت الأجسام الصلبة والباردة الموجودة في غرفتك ، زادت الطاقة الحرارية التي عليك توفيرها لتسخينها جميعًا حتى درجة حرارة معينة. ستحتاج إلى تسخينها باستخدام التوصيل والإشعاع وكذلك الحمل – وهذا يستغرق بعض الوقت. ولكن ، نظرًا لأن الأشياء الصلبة تخزن الحرارة جيدًا ، فإنها تستغرق بعض الوقت لتبرد. لذلك ، شريطة أن يكون لديك عزل لائق لمنع تسرب الحرارة من الجدران والنوافذ وما إلى ذلك ، بمجرد أن تصل غرفتك إلى درجة حرارة معينة ، يجب أن تظل دافئة لبعض الوقت دون الحاجة إلى إضافة المزيد من الحرارة.

الحرارة الكامنة

هل يؤدي المزيد من الحرارة دائمًا إلى ارتفاع درجة الحرارة؟ من ما قلناه حتى الآن ، قد تسامحك للتفكير في أن إعطاء شيء أكثر حرارة دائمًا ما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته. هذا صحيح بشكل عام ، ولكن ليس دائمًا.

لنفترض أن لديك كتلة من الجليد تطفو في وعاء من الماء وتضعها على موقدك الساخن. إذا وضعت مقياس حرارة في خليط الماء المثلج ، فستجد أنه حوالي 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) – وهي نقطة التجمد العادية للماء. ولكن إذا واصلت التسخين ، فستجد أن درجة الحرارة تبقى كما هي حتى ذوبان كل الثلج تقريبًا ، على الرغم من أنك تزود المزيد من الحرارة طوال الوقت. يبدو الأمر كما لو أن خليط الماء المثلج يأخذ الحرارة التي تعطيها له ويخفيها في مكان ما. من الغريب أن هذا ما يحدث بالضبط!

العمل الفني: عادة ما تصبح الأشياء أكثر سخونة (ترتفع درجة حرارتها) كلما قمت بتوفير المزيد من الطاقة الحرارية. لا يحدث ذلك عند النقاط التي تذوب فيها الأشياء (تتغير من صلبة إلى سائلة) وتبخر (تتحول من سائل إلى غاز). بدلاً من ذلك ، يتم استخدام الطاقة التي تزودها لتغيير حالة المادة . لا تختفي الطاقة: يتم تخزينها كحرارة كامنة.

عندما تتغير المادة من مادة صلبة إلى سائلة أو من سائل إلى غاز ، فإنها تأخذ الطاقة لتغيير حالتها. لتحويل الجليد الصلب إلى ماء سائل ، على سبيل المثال ، عليك دفع جزيئات الماء إلى الداخل بعيدًا عن بعضها وتفكيك الإطار (أو البنية البلورية) التي تمسكها معًا. لذا أثناء ذوبان الجليد (بعبارة أخرى ، أثناء تغيير الحالة من الماء الصلب إلى الثلج السائل) ، يتم استخدام كل الطاقة الحرارية التي تزودنا بها لفصل الجزيئات ولا يتبقى أي منها لرفع درجة الحرارة.

تسمى الحرارة اللازمة لتحويل مادة صلبة إلى سائل الحرارة الكامنة للانصهار . الكامنة تعني المخفي و “حرارة الانصهار الكامنة” تشير إلى الحرارة الخفية التي ينطوي عليها جعل حالة تغير المادة من مادة صلبة إلى سائلة أو العكس. وبالمثل ، تحتاج إلى توفير الحرارة لتحويل السائل إلى غاز ، وهذا ما يسمى الحرارة الكامنة للتبخر .

الحرارة الكامنة هي نوع من الطاقة ، وعلى الرغم من أنها قد تبدو “مخفية” ، إلا أنها لا تختفي في الهواء الرقيق. عندما يتجمد الماء السائل ويتحول مرة أخرى إلى الثلج ، فإن حرارة الانصهار الكامنة تنطلق مرة أخرى. يمكنك أن ترى هذا إذا قمت بتبريد المياه بشكل منهجي. بادئ ذي بدء ، تنخفض درجة حرارة الماء بانتظام أثناء إزالة الطاقة الحرارية. ولكن في الوقت الذي تتحول فيه المياه السائلة إلى جليد صلب ، ستجد تجميدًا للماء دون أن تصبح أكثر برودة. ذلك لأن الحرارة الكامنة من الانصهار تُفقد من السائل عندما تتجمد وتوقف درجة الحرارة من السقوط بسرعة.