الدرس ١: درجة الحرارة

ترتبط درجة الحرارة بمتوسط الطاقة الحركية لجزئيات الجسم، وكلما زادت سرعة الجزيئات ارتفعت درجة الحرارة. أما الطاقة الحرارية فهي مجموع طاقتي الوضع والحركة لجميع جزيئات الجسم. وتتوسع المواد عندما ترتفعت حرارتها وتنكمش عندما تبرد. لقياس درجة الحرارة، نستخدم ثلاثة مقاييس شائعة وهي السلسيوس والفهرنهايتي والكلفن المطلق، ويمكن التحويل بينها باستخدام معادلات رياضية محددة. فمثلا لتحويل درجة الحرارة من الفهرنهايتي إلى السلسيوس نطرح ٣٢ ثم نضرب الناتج في خمسة أتساع.

الفكرة الأساسية

ترتبط درجة حرارة الجسم بمتوسط الطاقة الحركية لجزئياته، فكلما زادت سرعة الجزيئات ارتفعت درجة الحرارة، بينما تمثل الطاقة الحرارية مجموع طاقتي الوضع والحركة لجميع جزيئات الجسم. ولأن المواد تتمدد بالحرارة وتتقلص بالبرودة نتيجة تغير سرعة جزيئاتها، نستخدم مقاييس مختلفة لدرجة الحرارة لتحديدها بدقة.

الشرح

نعتمد على مقاييس الحرارة لأن تتبع حركة كل جزيء على حدة مستحيل لكثرتها. المقياس الأكثر شيوعا هو مقياس السلسيوس حيث يتجمد الماء عند صفر درجة مئوية ويغلي عند مئة درجة. ومقياس الفهرنهايتي يتجمد فيه الماء عند ٣٢ درجة فهرنهايت ويغلي عند ٢١٢ درجة. وهناك مقياس كلفن المطلق الذي يبدأ من الصفر المطلق وهو أدنى درجة حرارة ممكنة، حيث تجمد الماء عنده هو ٢٧٣ كلفن وغليانه ٣٧٣ كلفن. يمكن التحويل بين النظامين الفهرنهايتي والسلسيوس باستخدام المعادلة: $^\circ\text{س} = (\frac{5}{9}) (\text{ف} - 32)$، وللتحويل من السلسيوس إلى الفهرنهايتي نستخدم المعادلة: $\text{ف} = (\frac{9}{5}) (^{\circ}\text{س}) + 32$. وللتحويل إلى كلفن نستخدم المعادلة: $\text{ك} = ^{\circ}\text{س} + 273$.

مثال محلول خطوة والثانية

إذا أشار مقياس الحرارة إلى ٨٦ درجة فهرنهايت في يوم صيفي، فكم تساوي هذه الدرجة على المقياس السلسيوس؟ ١. المعطيات: درجة الحرارة بالفهرنهايت = 86 ف. ٢. المطلوب: درجة الحرارة على المقياس السلسيوس. ٣. طريقة الحل: عوض بالمعطيات في المعادلة $^\circ\text{س} = (\frac{5}{9}) (\text{ف} - 32)$. نطرح ٣٢ من ٨٦ فيكون الناتج ٥٤. نضرب الناتج في ٥ ونقسمه على ٩ فيكون الناتج ٣٠ درجة سلسيوس. ٤. التحقق من الحل: اضرب الجواب في ٩ على ٥ ثم أضف إليه ٣٢، لتكون النتيجة ٨٦ درجة فهرنهايت.

أخطاء شائعة

• الخلط بين درجة الحرارة والطاقة الحرارية، حيث تعتمد الأولى على المتوسط بينما تعتمد الثانية على المجموع الكلي لطاقة جميع الجزيئات.
• نسيان ترتيب العمليات الحسابية عند استخدام معادلات التحويل بين مقياس الفهرنهايت والسلسيوس، مثل عدم طرح الرقم ٣٢ أولا قبل إجراء عملية الضرب والقسمة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

١. قام طالب بقياس درجة حرارة جسمه فكانت 98.6 ف. ما قيمة هذه الدرجة على المقايس السلسيوس؟ الإجابة: ٣٧ درجة سلسيوس. ٢. سجلت درجة الحرارة 57 س في صحراء في يوم صيفي حار. ما قيمة هذه الدرجة على المقياس الفهرنهايتي؟ الإجابة: ١٣٤.٦ درجة فهرنهايت.