الحرارة

جامعة بابل - كلية التربية الاساسية – قسم العلوم – محاضرات الحرارة - للمرحلة الثانية
للعام الدراسي 2017- 2018 م . م سفير عبد الكريم عبد الرحيم الساعاتي
المحاضرة الاولى
1_ درجة الحرارة ( Temperature)
يعد مفهوم درجة الحرارة من المفاهيم الاساس في الفيزياء شانه شان المفاهيم الاساسية الاخرى كالقوة مثلا , ومن المفاهيم البسيطة و الاولية هي درجة الحرارة ذلك الشيء المسؤول عند احساسنا بالسخونة والبرودة وتعد حاسة اللمس ابسط طريقة تمييز سخونة و برودة الاجسام اذ نستطيع القول ان الجسم X اكثر سخونة من الجسم Y و الجسم Y اكثر او اقل سخونة من الجسم Z وهكذا نستطيع التعبير عن مفهوم درجة الحرارة .
من اجل فهم اكثر لمعنى درجة الحرارة دعنا ناخذ جسما معين و ليكن X ذي درجة حرارة معينة T_1 كأن يكون باردا عند لمسه باليد و جسما ثانيا مماثلا للاول تماما و ليكن Y وذي درجة حرارة معينة T_2 , كان يكون ساخنا عند لمسه باليد , فاذا وضع الجسمان في حالة اتصال حراري فان الجسم الساخن يبرد أي تنخفض درجة حرارته بينما يسخن البارد أي ترتفع درجة الحرارة , و بعد فترة كافية من الزمن فان الجسمين X و Y سيكونان بنفس درجة الحرارة , وعندها يمكن القول بان الجسمان اصبحا في حالة توازن حراري .
يمكن توضيح ذلك بأفتراضنا ان ھنالك شئ ما نسمية الحرارة Heat ( وهو نوع من انواع الطاقة ) قد انساب من الجسم الساخن الى داخل الجسم البارد ومن ھذا يتضح لنا بأن درجة حرارة الجسم او النظام تاخذ القيمة نفسها التي تؤول لها قيم درجات الحرارة المختلفة لتلك الاجسام او الانظمة اذا وضعت هذه الاجسام او الانظمة سوية و باتصال حراري مباشر. ان هذا التغيير سيتطابق مع فكرة ان درجة الحرارة هي مقياس السخونة او برودة الاجسام او الانظمة فضلا عن انه يقود ايضا الى المعنى الاساسي اخر لدرجة الحرارة هو انها خاصية ما للمادة تؤول الى نفس قيمتها في مواد اخرى عندما توضع هذه المواد في حالة اتصال حراري و يتحقق التوازن الحراري فضلا عما تقدم فانه يمكن اعتبار درجة الحرارة كمقياس للنشاط الحراري لذرات او جزيئات المادة .
2_ اسس قياس درجة الحرارة
تعتمد الخواص الفيزيائية للمادة على درجة الحرارة وتتغير هذه الخواص مع تغير درجة الحرارة و من هذه الخواص حجم المادة , مقاومة السلك الكهربائية , وطول السلك المعدني وغيرها , وقد استعان العلماء بالعلاقة بين اي من هذه الخواص الفيزيائية ودرجة الحرارة في بناء مقياس مناسب لدرجة الحرارة وهو(المحرار).
ان بناء اي مقياس لدرجة الحرارة يعتمد اساسسا على الاختيارات التالية :-
اختيار المادة الحرارية المناسبة
اختيار الصفة المحرارية لتلك المادة
اختيار المدى المناسب لدرجات الحرارة التي يراد قياسها
الافتراض بان الصفة الحرارية المختاره تتغير باستمرار مع تغير درجة الحرارة .
ان استحضار النقاط اعلاه مهم جدا عند بناء اي مقياس لدرجة الحرارة فيمكن ان تكون صفة محرارية مناسبة لمدى معين من درجات الحرارة دون غيرها . فاذا افترضنا ان العلاقة بين الخاصية الفيزيائية المحرارية المختاره X والحرارة المطلقة T يمكن كتابتها بالعلاقة الخطية الاتية :
T=a X……………(1)
ان a تمثل قيمة ثابته ,يمكن تحديد قيمتها عند القيام ببناء أي محرار لقياس درجة الحرارة , ان المعادلة (1) تشير الى نقطتين مهمتين هما
ان الفروق المتساوية في درجة الحرارة ينتج عنها تغيرات متساوية المقدار في قيمة الخاصية المحرارية المختارة (X ) .
ان النسبة بين أي درجتين حراريتين تساوي النسبة بين قيمتي الخاصية الفيزيائية عند تلكما الدرجتين الحراريتين وبتعبير اخر فان :
T_1?T_2 = X_1?X_2 …………..(2)
اذ ان X2 , X1 تمثلا مقدار خاصية المادة الفيزياوية عند الدرجتين الحراريتين T1,T2 ولذلك فانها لاتظهر في المعادلة (2 ) ميكن اعادة كتابتها على النحو الاتي :
T_(1= ) T_2* X_1?(X_2 )……………(3)
فاذا فرضنا ان قيمة خاصية المادة x2 عند النقطة الثلاثية للماء T2 والمساوية الى (273.16) فان المعادلة(3) يمكن تبسيطها الى الصيغة التالية :
T_(1= ) 273.16 * X_1?(X_2 )……………(4)
ان العلاقة الاخيرة يمكن تعميمها على أي نوع من المحارير التي يراد استخدامها .


قياس درجة الحرارة :
لقياس درجة الحرارة وتحديد مقدارها رقمين يجب بناء جهاز خاص يدعى بالمحرار ولبناء المحرار يجب توفر المستلازمات التالية :-
التركيب
التدريج
الحساسية
تركيب المحرار :
ان تركيب المحرار يعتمد اساسا على المادة المحرارية وهذه المواد هي اي مادة صلبة او سائلة او غازية لها خواص فيزياوية تتغير مع درجة الحراره , والخاصية التي تتغير مع درجة الحرارة والتي يمكن قياسها تدعى بالخاصية الحرارية وهناك امثلة كثيرة على الخواص المحرارية مثل التغير في ابعاد الجسم (ظاهرة التمدد), والتغير في ضغط الغاز عند ثبوت درجة الحرارة .......الخ .
المهم عند بناء المحرار هو الختيار المناسب للمادة المحرارية على اساس التغير المنتظم في قيمة الخاصية المحراية مع ارتفاع درجة الحرارة.
تدريج المحرار :
يجب تدريج المحرار بشكل مناسب ودقيق ولهذا الغرض يتم اختبار بعض النقاط القياسية الثابتة كنقاط مرجعية يستند عليها تدريج المحرار .
يتم التدريج بتقسيم قيمة الخاصية بين النقاط الثابته الى اجزاء متساوية فمثلا التدريج المؤوية يتم بتقسيم الخاصية بين نقطة انجماد الماء ونقطة غليان الماء (تحت ضغط اعتيادي ) الى (100) جزء متساوي وكل جزء يمثل درجة مؤوية واحدة وهكذا بالمقياس الفهرنهايتي والمقياس الكلفني.
حساسية المحرار:
بعد بناء المحرار و تدريجه يجب توفر صفه اخرى وهي الحساسية و لتحقيق ذلك يجب توفر الشروط التالية في المحرار :
أ_ ان يتحسس المحرار و يكتشف التغيرات في درجات الحرارة مهما كانت صغيرة وهذا يتطلب ان يكون معدل تغير الخاصية المحرارية مع درجة الحرارة اكبر ما يمكن .
ب_ ان يصل المحرار الى حالة التوازن الحراري (الاتزان الحراري) مع الجسم المراد قياس درجة حرارته في فترة زمنية قصيرة , وهذا يقتضي ان تكون المادة الحرارية وبصلة المحرار ذات توصيل حراري عالي .
ج_ ان لا يمتص كمية كبيرة من الحرارة الجسم المراد قياس درجة حرارته , أي ان تكون السعة الحرارية للمادة المحرارية و بصلة المحرار صغيره جدا .


4_ مقاييس درجة الحرارة :
قبل البدا بشرح عملية بناء المحارير يجب تعين مقياس درجة الحرارة المناسبة , وتعين الطريقة المناسبة لتدريج هذا المحرار وبصورة عامة هناك ثلاث مقاييس رئيسية لدرجة الحرارة وهي :
أ_ المقياس المئوي:
يتم تدريج هذا المقياس وذلك بتعريف نقطة انجماد الماء على انها تساوي صفر درجة مئوية واحدة تحت ضغط جوي اعتيادي , ونقطة غليان الماء على انها تساوي 100 درجة مئوية تحت الضغط الجوي الاعتيادي.
ب_ المقياس الفهرنهايتي :
يعد المقياس الفهرنهايتي من مقاييس درجة الحرارة المعروفة , ان الفرق بين التدريجات على المقياس الفهرنهايتي 5?9 عن المقياس المئوي .
ان درجة انجماد الماء في هذا المقياس تساوي (F^0 32) ودرجة غليان الماء تساوي (F^0 212 ) .
ج_ المقياس الكلفني :
يعد المقياس الكلفني المقياس العلمي الاساس لدرجة الحرارة , ان درجة انجماد الماء في هذا المقياس هي ( , ( 237 K^0 اما درجة حرارة غليان الماء فانها ( , ( 373 K^0 تحت ضغط جوي اعتيادي .
اعتمد كلفن على درجة حرارة النقطة الثلاثية (وهي نقطة يتواجد فيها الجليد والماء والبخار معاً) واعتبر قيمتها 273.16 درجة مطلقة أو كلفن k. والجدير بالذكر أن الدرجة المئوية الواحدة تعادل تماماَ الدرجة الواحدة في مقياس كلفن ولكن درجة البدء تختلف بين النظامين.
الجدول الآتي يوضح صيغ التحويل من تدريج إلي آخر:



التحويل الصيغة مثال
من مئوي إلي مطلق Tk = TC + 273 21oC = 294 k
من مطلق إلي مئوي TC = Tk - 273 313 k = 40 oC
من فهرنهيتي إلي مئوي TC = 5/9 ´(TF - 32) 86 oF = 30 oC
من مئوي إلي فهرنهيتي TF = 9/5 ´TC + 32 50 oC = 122 oF
من الكلفني الى فهرنهيتي TF = 9/5 ´(TK-273) + 32
من فهرنهيتي الى الكلفني TK=273+ 5/9 ´(TF - 32)

5_ انواع المحارير:
هناك انواع مختلفة من المحارير تستند على خواص فيزيائية مختلفة:
أ_ المحارير السائلة :
وهي المحارير التي تعتمد على تغير حجم السائل مع تغير درجة الحرارة مثل محارير الزئبق و الكحول.
ب_ المحارير الغازية :
وهي المحارير التي تستند على مبدا التغير في ضغط الغاز عند ثبوت الحجم او التغير في حجم الغاز عند ثبوت الضغط مع التغير في درجة الحرارة , مثال ذلك محرارغاز الهيدروجين تحت ضغط ثابت وكذلك محرار جولي (المحرار الغازي تحت حجم ثابت ).
ت_ محارير المقاومة الكهربائية :
وهي المحارير التي تستند على مبدا التغير في المقاومة الكهربائية مع تغير درجة الحرارة مثل محرار المقاومة البلاتيني .
ث _ محارير ضغط البخار :
وهذه التي تعتمد على مبدا تغير ضغط البخار مع تغير درجة الحرارة وهذه المحارير تستخدم في قياس درجات الحرارة الواطئة مثل محرار ضغط بخار الهليوم.
ج_ محارير الاشعاع :
وهذه المحارير تعتمد على كمية حرارة الاشعاع المنبعث من الجسم المراد قياس درجة حرارته , ويستخدم مثل هذا المحرار لقياس درجات الحرارة المرتفعة جدا مثل درجة حرارة الافران . فمن المعلوم عندما يسخن جسم لدرجة عالية يبدا لونه في الاحمرار ثم يبيض ويتوهج عند درجات الحرارة المرتفعة جدا. هذا التغير في لون الجسم من اللون المعتم الى الاحمرار الى الابيض يدل على ان درجة الحرارة تتحكم في طول الموجة الضوئية.
ح_ محارير المزدوج المعدني :
وهي المحارير التي تعتمد على مبدا اختلاف تمدد الاجسام الصلبة المختلفة ويتركب هذا المحرار من شريطين من معدنين مختلفين ملتصقين تماما ويختلف معامل تمددهما اختلافا كبيرا ويكون المزدوج المعدني على شكل لولبي احد طرفيه مثبت والاخر ملحق بمؤشر طويل والمؤشر يتحرك على مسطرة مدرجة بالدرجات , وهذه المحارير تستخدم في الانواء الجوية لتسجيل التغيرات في درجات الحرارة خلال ايام كما تستخدم ايضا لقياس درجات الحرارة في المرتفعات العالية.
د_ المحارير المغناطيسية :
وهي المحارير التي تعتمد على مبدا تغير التمغنط في المادة مع تغير درجة الحرارة وفقا لقانون كوري .
ان المبدا العام هذه المحارير هو واحد , فاي مادة لها أي خاصية من هذه الخواص المحرارية يمكن اعتمادها كاساس في بناء و تدريج المحرار العملي .