نقول أن الجو حار أو بارد، نعيش في مدى حراري يتراوح ما بين 10 درجات مئوية إلى 30 درجة مئوية. ونعتبره معقولا ومقبولا فإذا زادت درجات الحرارة أو نقصت عن ذلك نحتاج إلى وسائل تساعدنا على الشعور بالوضع الطبيعي فنلبس ثيابا ثقيله للتدفئه أو خفيفه في الحر.
ولكن ماذا نعني بالضبط بدرجات الحرارة ؟
ما هي الحرارة؟
الحرارة نفسها هي شكل من أشكال الطاقة، وهي تحديدا طاقة حركية تحملها جزيئات المادة على شكل اهتزازات. وحركات لهذه الجزيئات وبأشكال مختلفة. فالجزئ المكون من ذرتين يمكنه أن يتحرك بثلاثة كيفيات:
1- إهتزاز تجاذب وتنافر بين الذرتين.
2- حركة دورانيه حول محور معين تدور الذرتان حوله.
3- حركه إنتقاليه للجزئ ككل في الوسط المحيط.
وبذلك فالطاقة التي يختزنها أو يحملها هذا الجزئ تكون أكبر إذا كان متحركا بسرعة كبيرة أو يدور حول محوره أو يهتز بتردد كبير. ويمكننا زيادة هذه الطاقه بالتسخين. ولكن ما معنى التسخين؟
ما معنى التسخين؟
عند ما تهتز شحنة كهربائية فإنها تطلق موجة كهرمغناطيسيه يتناسب طول موجتها وبالتالي ترددها مع تردد اهتزاز هذه الشحنة. والعملية العكسية ممكنة كذلك. فالجزئ الذي يتعرض لموجة كهرمغناطيسية بتردد معين (يتوافق مع المدى الذي يمكنه الاهتزاز ضمنه) يمتص طاقة هذه الموجة ويهتز بتردد أكبر مما كان عليه وهنا نقول أن الطاقة التي يحملها هذا الجزيء أصبحت أكبر وهذا ما يعنيه تسخين جزيء واحد. فإذا كنت تتحدث عن طاقة عدد أفوغادرو من الجزيئات (ا مول) أي حوالي 2310 جزيئا فإن عليك جمع الزيادة في طاقة كل جزئ لتحصل على الزيادة الكلية في طاقة هذا المول من الجزيئات. ونقول أن لكل مادة سعة حرارية وأن بعض المواد يمكنها إختزان طاقة حرارية كبيرة في حين أن البعض الآخر لا يمكنه ذلك. ويعود الأمر إلى التردد الذي يهتز به جزيء هذه المادة وإلى طاقة الحركة الدورانيه والإنتقاليه لهذا الجزيء.
ما هي درجة الحرارة؟
نعرف درجة حرارة جزيء بأنها مقياس لمعدل طاقة الحركة الكليه للجزيء وتعطى كالتالي:
حيث (K): هي معدل طاقة الحركة الجزئ ، (T) :هي درجة حرارته بوحدة كلفن، (k): هو ثابت يسمى ثابت بولتزمان.
وباستخدام هذا التعريف نعبر عن السعة الحرارية لمادة بأنها كمية الطاقة التي يمكنها رفع درجة حرارة هذه المادة بمقدار درجة واحدة وهذه الدرجة يمكن أن تكون درجة مئوية أو كلفن كما سيرد لاحقا. إذن فكمية الحرارة التي يمكن أن تحتويها مادة ما يمكن حسابها بأخذ معدل طاقة حركة الجزئ الواحد وضربه في عدد الجزيئات فكلما كان بإمكان الجزئ الواحد أن يختزن طاقة أكثر كلما أصبحت السعة الحرارية للمادة التي تتكون منه أكبر. وعليه نتوقع أن تكون السعة الحرارية للمواد الصلبه بوجه عام أقل من السوائل وهذه بدورها أقل منها للغاز باعتبار حرية الحركة للسائل أكثر منها للصلب وكذلك للغاز أكبر منها للسائل. ونجد مثلا أن السعة الحرارية للفولاذ هي 0.447 وللماء 4.169 وللهيدروجين 14.250 كيلو جول / كلفن.
ونعرف كمية أخرى هي السعة الحرارية للكيلو غرام الواحد من المادة وتسمى الحرارة النوعية. فكمية الحرارة اللازمه لتسخين كيلو غرام واحد من الماء درجة واحده تختلف عن الكمية اللازمه لذلك للنحاس مثلا فنقول أن الحرارة النوعية للماء أكبر منها للنحاس.
درجة مئوية أم كلفن؟
أما مسألة درجة مئويه أو كلفن فقد كان مقياس درجة الحرارة لمدة طويلة مبنيا على تقسيم درجات الحرارة ما بين إنصهار الجليد وغليان الماء إلى مئة درجة سميت مئويه (أو سليسيوس). أما بتعريف درجة الحرارة بدلالة معدل طاقة الحركه فقد حسبت الدرجة التي تكون عندها طاقة حركة الجزيء صفرا فكانت حوالي (-273 درجة مئوية) وسميت هذه درجة الصفر المطلق. وعليه فالصفر المئوي يقابل 273 كلفن فوق الصفر المطلق ويعتبر مقياس الدرجات المطلقه (كلفن) متوافقا مع الحسابات الفيزيائية وينبغي استخدامه للتعويض في كثير من القوانين التي تتضمن درجة الحرارة. والصفر المطلق (-273 درجة مئويه) هو درجة لم يمكن الوصول إليها عمليا حتى الآن.
ويتبادر إلى الذهن سؤال : ما هي درجة حرارة الفضاء؟
فالفراغ المطلق إذا كان لا يحوي أي جزيئات ماديه فلا معنى للحديث عن درجة حرارة للفضاء. لكن الفضاء يحوي قدرا ضئيلا جدا من جزيئات المادة مبعثره في الكيلو متر المكعب الواحد ويحوي كذلك النجوم والكواكب والمجرات. فعند الحديث عن معدل درجة حرارة الفضاء فالمفروض أن تؤخذ الطاقة الكلية بعين الاعتبار وأن يحسب معدل طاقة حركة الجزئ الواحد في المنطقة المعنية وعليه تقدر درجة حرارة الفضاء. وحسب الأرصاد الفلكية والحسابات المتعلقه بها، يقدر معدل درجة حرارة الفضاء بحوالي 3 كفن بينما تقدر درجة حرارة سطح الشمس بحوالي 6000 كلفن.
فتأمل وقل سبحان الله.
