عادل الثبيتي
28-08-2007, 11:03
يستطيع الإنسان أن يُحدد بحاسة اللمس ما إذا كان جسم ما حاراً أو بارداً إلاّ أن تحديد درجة الحرارة أو درجة البرودة بهذه الطريقة المباشرة أمر يتفاوت من شخص لآخر كما أن هذا التحديد لن يكون ثابتاً للشخص نفسه فهو أيضاً يتأثر في حكمه على درجة السخونة أو درجة البرودة بحالته الصحية ومزاجه النفسي وظروفه الخاصة وعدد كبير من المؤثرات الخارجية المحيطة به .
وليس أدل على خداع حاسة اللمس من تجربة بسيطة أقترحها الفيلسوف البريطاني الشهير جون لوك في عام 1960 م إذ وجد أنه بغمر إحدى اليدين في وعاء يحتوي على ماء حار وغمر اليد الأخرى في ماء بارد ثم غمرهما سوياً في وعاء يحتوي على ماء معتدل الحرارة فإن ماء الإناء يبدو بارداً لليد الأولى وحاراً لليد الثانية مما يؤكد نسبية قدرة حاسة اللمس على تحديد درجة السخونة أو درجة البرودة .
فلذلك نجتاج إلى طريقة موضوعية ودقيقة لتحديد درجة حرارة الأجسام وهذا يتطلب إيجاد رقم يُعبر بنزاهة عن درجة السخونة بحيث يمكن قياسه وتحديده بوسيلة محايدة ومُستقلة عن أي عوامل أو مؤثرات خارجية باستثناء التأثير الحراري المحض إن هذا الرقم اللازم لبناء قاعدة علمية منضبطة نحو فهم الحرارة علمياً واستغلالها تقنياً وهو ما نُطلق عليه اسم [ درجة الحرارة ] .
ومن الواضح أن هذا الرقم يُعبر عن تغير حالة الجسم وليس في مادته ، فالماده نفسها يمكن أن تكون حارة كما يمكن أن تكون باردة . ولكي يكون هذا الرقم حيادياً وموضوعياً فإنه ينبغي لنا أن نبحث عن ظاهرة طبيعية تتغير مع تغير درجة السخونة بحيث يكون بالإمكان إجراء قياس كمّي للتغير في هذه الظاهرة ومن ثم الحصول على على الرقم الذي يُعبر عن درجة الحرارة وعلى سبيل المثال : فإن البالون يكبر في الحجم عندما نضعه في ماء حار وذلك بسبب تمدد الهواء داخل البالون ، وهذا يعني أن ظاهرة التمدد يمكن أن تُستخدم كمؤشر لقياس درجة الحرارة .
وكما نعلم أن الجزيئات في حالة حركة دائمة وكلما ازدادت طاقتها الحركية كانت سرعتها أعلى ، فإذا جعلنا جسماً بارداً يُلامس آخر ساخناً فإن الطاقة الحرارية تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد مما يعني أن جزيئات الجسم الساخن تفقد شيئاً من طاقتها الحركية فتنخفض سرعتها ، بينما تكتسب جزيئات الجسم البارد طاقة حركية إضافية فتزداد سرعتها وتستمر عملية انتقال الحرارة من الجسم الحار إلى الجسم البارد حتى يتساوى متوسط الطاقة الحركية لجزيئات كل من الجسمين وعندها يتوقف سريان الحرارة ، ونقول أن الجسمين أصبحا عند درجة حرارة واحدة . إن هذه الحقيقة توضح أن درجة الحرارة ليست إلاّ مقياساً لمتوسط الطاقة الحركية التي يمتلكها كل جزيء في المادة .
وإنه من المهم أن لا نخلط بين مصطلح [ درجة الحرارة ] ومصطلح [ الحرارة ] فالأخير هو إجمالي الطاقة الحركية التى تمتلكها الجزيئات الموجودة داخل المادة وهي الطاقة التي تتسرب على شكل طاقة حرارية عند وجود فرق في درجة الحرارة بين جسمين متلامسين .
أما درجة الحرارة فهي متوسط الطاقة الحركية للجزيء في المادة .
وبذلك تكون درجة الحرارة خاصية من خصائص المادة وهي التي تُحدد ما إذا كان الجسم سيكون في حالة توازن حراري مع جسم آخر عند إتصاله به ، كما تُحدد اتجاه انتقال الحرارة إذ تنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم الأقل سخونة .
إن الطاقة الحرارية الموجودة في مادة ما تعتمد على كمية المادة ( الكتلة ) وعلى درجة الحرارة ولذا فإن الإناء الكبير الممتلئ بماء درجة حرارته 60 ْ م يمتلك كمية من الحرارة قدرها أضعاف مضاعفة لكمية الحراة التي يحتويها كوب صغير من الماء عند درجة الحرارة نفسها 60 ْ م .
ومثال آخر يوضح الفرق بين المصطلحين : تحول الثلج إلى ماء إذ يتم تزويد الثلج بطاقة حرارية للتغلب على قوى التجاذب بين جزيئاته بينما تبقى درجة حرارته ثابتة عند الصفر المئوي إلى أن تتحول كمية الثلج بكاملها إلى ماء ، وبعد ذلك تبدأ درجة حرارة الماء في الارتفاع في حالة استمرار عملية التسخين .
وتختلف أيضاً كمية الحرارة الموجودة في كتلة ما من الخشب - عند درجة حرارة معينة - عن كمية الحرارة الموجودة في كتلة مماثلة من الحديد عند درجة الحرارة نفسها ، وتقودنا هذه الحقيقة إلى استخدام مصطلح [ السعة الحرارية ] : وهي الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة كمية من المادة بمقدار معين .
فالسعة الحرارية للماء مثلاً هي حوالي تسعة أضعاف السعة الحرارية للحديد ، ولذا فإن الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من الماء هي تقريباً تسعة أضعاف الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة مماثلة من الحديد بالمقدار نفسه من درجة الحرارة .
وبمعنى آخر فإن الماء يقوم بتخزين طاقة أعلى عندما يسخن كما أنه يفقد كمية أكبر من الطاقة عندما يبرد .
ولذا فإن الماء أفضل سائل يُمكن أن يُستخدم في أنظمة التسخين المركزي للمباني ولغرض تبريد الكائن في السيارات والمصانع . وهذه السعة الحرارية العالية للماء تجعل منه أيضاً وسيلة جيدة لإطفاء الحرائق لأن الماء يمتص قدراً كبيراً من حرارة المواد المحترقه عند تبخره وفي الوقت نفسه يكون الماء بمثابة غطاء يمنع الأكسجين عن النيران فيخنقها ، أما بعض أنواع النيران مثل نيران البترول المحترق فإن الماء لا يخمدها لأن البترول يطفو على وجه الماء ويتلقّى بعض الأكسجين من الهواء فيستمر الإحتراق ولذا فإن رجال الإطفاء يرشون في هذه الحالة رغوة أو مسحوقاً خاصاً على النار لعمل ستار عليها يمنع عنها الأكسجين .
موضوع خاص بملتقى الفيزيائيين العرب
وليس أدل على خداع حاسة اللمس من تجربة بسيطة أقترحها الفيلسوف البريطاني الشهير جون لوك في عام 1960 م إذ وجد أنه بغمر إحدى اليدين في وعاء يحتوي على ماء حار وغمر اليد الأخرى في ماء بارد ثم غمرهما سوياً في وعاء يحتوي على ماء معتدل الحرارة فإن ماء الإناء يبدو بارداً لليد الأولى وحاراً لليد الثانية مما يؤكد نسبية قدرة حاسة اللمس على تحديد درجة السخونة أو درجة البرودة .
فلذلك نجتاج إلى طريقة موضوعية ودقيقة لتحديد درجة حرارة الأجسام وهذا يتطلب إيجاد رقم يُعبر بنزاهة عن درجة السخونة بحيث يمكن قياسه وتحديده بوسيلة محايدة ومُستقلة عن أي عوامل أو مؤثرات خارجية باستثناء التأثير الحراري المحض إن هذا الرقم اللازم لبناء قاعدة علمية منضبطة نحو فهم الحرارة علمياً واستغلالها تقنياً وهو ما نُطلق عليه اسم [ درجة الحرارة ] .
ومن الواضح أن هذا الرقم يُعبر عن تغير حالة الجسم وليس في مادته ، فالماده نفسها يمكن أن تكون حارة كما يمكن أن تكون باردة . ولكي يكون هذا الرقم حيادياً وموضوعياً فإنه ينبغي لنا أن نبحث عن ظاهرة طبيعية تتغير مع تغير درجة السخونة بحيث يكون بالإمكان إجراء قياس كمّي للتغير في هذه الظاهرة ومن ثم الحصول على على الرقم الذي يُعبر عن درجة الحرارة وعلى سبيل المثال : فإن البالون يكبر في الحجم عندما نضعه في ماء حار وذلك بسبب تمدد الهواء داخل البالون ، وهذا يعني أن ظاهرة التمدد يمكن أن تُستخدم كمؤشر لقياس درجة الحرارة .
وكما نعلم أن الجزيئات في حالة حركة دائمة وكلما ازدادت طاقتها الحركية كانت سرعتها أعلى ، فإذا جعلنا جسماً بارداً يُلامس آخر ساخناً فإن الطاقة الحرارية تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد مما يعني أن جزيئات الجسم الساخن تفقد شيئاً من طاقتها الحركية فتنخفض سرعتها ، بينما تكتسب جزيئات الجسم البارد طاقة حركية إضافية فتزداد سرعتها وتستمر عملية انتقال الحرارة من الجسم الحار إلى الجسم البارد حتى يتساوى متوسط الطاقة الحركية لجزيئات كل من الجسمين وعندها يتوقف سريان الحرارة ، ونقول أن الجسمين أصبحا عند درجة حرارة واحدة . إن هذه الحقيقة توضح أن درجة الحرارة ليست إلاّ مقياساً لمتوسط الطاقة الحركية التي يمتلكها كل جزيء في المادة .
وإنه من المهم أن لا نخلط بين مصطلح [ درجة الحرارة ] ومصطلح [ الحرارة ] فالأخير هو إجمالي الطاقة الحركية التى تمتلكها الجزيئات الموجودة داخل المادة وهي الطاقة التي تتسرب على شكل طاقة حرارية عند وجود فرق في درجة الحرارة بين جسمين متلامسين .
أما درجة الحرارة فهي متوسط الطاقة الحركية للجزيء في المادة .
وبذلك تكون درجة الحرارة خاصية من خصائص المادة وهي التي تُحدد ما إذا كان الجسم سيكون في حالة توازن حراري مع جسم آخر عند إتصاله به ، كما تُحدد اتجاه انتقال الحرارة إذ تنتقل الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم الأقل سخونة .
إن الطاقة الحرارية الموجودة في مادة ما تعتمد على كمية المادة ( الكتلة ) وعلى درجة الحرارة ولذا فإن الإناء الكبير الممتلئ بماء درجة حرارته 60 ْ م يمتلك كمية من الحرارة قدرها أضعاف مضاعفة لكمية الحراة التي يحتويها كوب صغير من الماء عند درجة الحرارة نفسها 60 ْ م .
ومثال آخر يوضح الفرق بين المصطلحين : تحول الثلج إلى ماء إذ يتم تزويد الثلج بطاقة حرارية للتغلب على قوى التجاذب بين جزيئاته بينما تبقى درجة حرارته ثابتة عند الصفر المئوي إلى أن تتحول كمية الثلج بكاملها إلى ماء ، وبعد ذلك تبدأ درجة حرارة الماء في الارتفاع في حالة استمرار عملية التسخين .
وتختلف أيضاً كمية الحرارة الموجودة في كتلة ما من الخشب - عند درجة حرارة معينة - عن كمية الحرارة الموجودة في كتلة مماثلة من الحديد عند درجة الحرارة نفسها ، وتقودنا هذه الحقيقة إلى استخدام مصطلح [ السعة الحرارية ] : وهي الطاقة الحرارية اللازمة لرفع درجة حرارة كمية من المادة بمقدار معين .
فالسعة الحرارية للماء مثلاً هي حوالي تسعة أضعاف السعة الحرارية للحديد ، ولذا فإن الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة معينة من الماء هي تقريباً تسعة أضعاف الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كتلة مماثلة من الحديد بالمقدار نفسه من درجة الحرارة .
وبمعنى آخر فإن الماء يقوم بتخزين طاقة أعلى عندما يسخن كما أنه يفقد كمية أكبر من الطاقة عندما يبرد .
ولذا فإن الماء أفضل سائل يُمكن أن يُستخدم في أنظمة التسخين المركزي للمباني ولغرض تبريد الكائن في السيارات والمصانع . وهذه السعة الحرارية العالية للماء تجعل منه أيضاً وسيلة جيدة لإطفاء الحرائق لأن الماء يمتص قدراً كبيراً من حرارة المواد المحترقه عند تبخره وفي الوقت نفسه يكون الماء بمثابة غطاء يمنع الأكسجين عن النيران فيخنقها ، أما بعض أنواع النيران مثل نيران البترول المحترق فإن الماء لا يخمدها لأن البترول يطفو على وجه الماء ويتلقّى بعض الأكسجين من الهواء فيستمر الإحتراق ولذا فإن رجال الإطفاء يرشون في هذه الحالة رغوة أو مسحوقاً خاصاً على النار لعمل ستار عليها يمنع عنها الأكسجين .
موضوع خاص بملتقى الفيزيائيين العرب