درجة حرارة

درجة حرارة
	Annual mean temperature around the world
الرموز الشائعة	T
نظام الوحدات الدولي	كلفن (K)
وحدات أخرى	°C, °F, °R
التحليل البعدي	ثيتا
كمية مكثفة؟	yes
الاشتقاق من; كميات أخرى	,

درجة حرارة هي مؤشر على كمية الطاقة الحرارية التي يختزنها الجسم كما أنها مؤشر على مدى حركية ذراته حيث يمكن رياضياً إيجاد معادلة تصل بين الطاقة الحركية لجزيئات أوذرات جسم ما ودرجة حرارته. هناك الكثير من الوحدات لقياس درجة الحرارة مثل الكلفن والسيلزيوس ودرجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أوبرودته، وهي التي تحدد اتجاه انتنطق الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس.

وحدات قياس الحرارة

الكلفن وهوالمقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI وهومقياس كثير الاستعمال في الميادين الفهمية. يجب استخدامه إذا أردت حساب نسب من درجة الحرارة.
السيليزية C (درجة مئوية) وهوالمقياس الرئيسي المعتمد في حياتنا اليومية في غالبية دول العالم.
الفهرنهايت F وهوالمقياس المعتمد في الولايات المتحدة الأمريكية.
درجة الحرارة المطلقة وهي كلفن.

سعة حرارية

عندما تنتقل الطاقة من الجسم أوإلية في صورة حرارة فقط فإن حالة الجسم تتغير. يعتمد مقدار التغير على المحيط والجدران التي تفصل بين الأجسام. يضم هذا التغير التفاعلات الكيميائية، زيادة الضغط، زيادة درجة الحرارة وتغير الطور. لكل نوع تغير هناك سعة حرارية وهي النسبة بين الحرارة المنتقلة إلى مقدار التغير في هذه الخاصية. على سبيل المثال، فإذا كان التغير تعبير عن زيادة في درجة الحرارة عند ثبوت الحجم مع عدم وجود تغير في الطور أوتغيرات كيميائية فإنه ينتج عنه ازدياد في درجة حرارة الجسم وزيادة الضغط. مقدار الحرارة المنتقلة $Δ Q$ مقسومة على التغير في درجة الحرارة $Δ T$ ينتج عنه $C V$ وهي السعة الحرارية للجسم عند ثبوت الحجم.

{\displaystyle C_{V ={\frac {\Delta Q {\Delta T

إذا تم قياس السعة الحرارية لكمية مادة، فإن السعة الحرارة ي هي مقدار الحرارة اللازمة لزيادة درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة لوحدة الكتلة. على سبيل المثال لحمل درجة حرارة الماء درجة واحدة كلفن فإننا نحتاج إلى كمية حرارة مقدارها 4186 جول لكل كجم.

{\displaystyle C_{V ={\frac {\Delta Q {\Delta T

ترمومتر بمقياس سليزيوس لقياس درجة الحرارة بفصل الشتاء وهي -17 درجة سليزيوس

يتم قياس درجة الحرارة باستخدام مقياس الحرارة والذي يعود استخدامه للقرن الثامن عشر عندما قام غابرييل فهرنهايت بتكييف مقياس الحرارة ومقياسه وتم تطويره بواسطة أوول رومر. ما زال مقياس فهرنهيت مستخدم في الولايات المتحدة الأمريكية للتطبيقات غير العملية.

يتم قياس درجة الحرارة باستخدام مقياس الحرارة الذي تتم معايرته إلى مقاييس مختلفة. في معظم أنحاء العالم يتم معايرته طبقا لمقياس السليزيوس.يقيس معظم الفهماء درجة الحرارة بمقياس سليزيوس ودرجة حرارة الديناميكا الحرارية بمقياس كلفن ( 0K = −273.15°C أودرجة الصفر المطلق).

وحدات

إن الوحدة الأساسية لدرجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات هي الكلفن يرمز لها بالرمز K.

يمكننا استخدام السليزيوس لكل التطبيقات اليومية حيث تشير درجة 0 سليزيوس إلى درجة تجمد الماء بينما تشير 100 درجة سليزيوس إلى درجة غليان الماء عند مستوى سطح البحر. حيث أنه هناك قطرات من السائل تكون متواجدة في السحب عند درجات حرارة أقل من 0 سليزيوس فإننا نشير إلى 0 سلزيوس أنه درجة الحرارة التي يبدأ الثلج عندها في الذوبان.

يتم تعريف مقياس كلفن وسليزيوس بنقطتين ثابتتين وهما الصفر المطلق والنقطة الثلاثية حسب معايير فيينا لمياه المحيط. الصفر المطلق هو0 كلفن ويساوي -273.15 سليزيوس. النقطة الثلاثية للماء هي نقطة الطاقة الصفرية. تعهد المادة التي تكون في الحالة الأأرضية لها بدرجة حرارة 273.16 كلفن و0.01 سليزيوس.

في الولايات المتحدة، فإن مقياس فهرنهايت واسع الانتشار. في هذا المقياس فإن درجة تجمد الماء تساوي 32 قهرنهايت ونقطة الغليان تساوي 212 فهرنهايت. ما زال مقياس رانكن يستخدم في الهندسة الكيميائية في الولايات المتحدة.

تحويل

الجدول الآتي يبين التحويل بين المقاييس المتنوعة لدرجات الحرارة.

	من سليزيوس	إلى سليزيوس
فهرنهايت	[°F] = [°C] × ⁹⁄₅ + 32	[°C] = ([°F] − 32) × ⁵⁄₉
كلفن	[K] = [°C] + 273.15	[°C] = [K] − 273.15
رانكن	[°R] = ([°C] + 273.15) × ⁹⁄₅	[°C] = ([°R] − 491.67) × ⁵⁄₉
ديلايسل	[°De] = (100 − [°C]) × ³⁄₂	[°C] = 100 − [°De] × ²⁄₃
نيوتن	[°N] = [°C] × ³³⁄₁₀₀	[°C] = [°N] × ¹⁰⁰⁄₃₃
ريومور	[°Ré] = [°C] × ⁴⁄₅	[°C] = [°Ré] × ⁵⁄₄
رومر	[°Rø] = [°C] × ²¹⁄₄₀ + 7.5	[°C] = ([°Rø] − 7.5) × ⁴⁰⁄₂₁

نظرية حركة الغازات

فهم تأثير درجة الحرارة على الغاز يمكن توضيحها نظريا من نظرية الحركة للغازات

قام جميع من ماكسويل وبولتزمان بتطوير نظرية الحركة لفهم درجة حرارة الغازات. توضح هذه النظرية أيضا قانون الغاز المثالي والسعة الحرارية للغازات النبيلة.

يعتمد قانون الغاز المثالي على العلاقة بين الضغط p والحجم v ودرجة الحرارة T. نص قانون الغاز المثالي:

رسم بياني بين الضغط ودرجة الحرارة لثلاث أنوع من الغازات.

{\displaystyle pV=nRT\,\!

حيث n هي عدد مولات الغاز بينما R هي ثابت الغاز ويساوي ^1-R = 8.3144598(48) J⋅mol⁻¹⋅K.

يمكننا قانون الغاز المثالي من قياس درجة حرارة الغاز بالمقياس المطلق باستخدام مقياس حرارة الغاز. يمكن تعريف درجة الحرارة أنها الضغط بالبساكل لواحد مول من الغاز في وعاء حجمه 1 متر مكعب مقسوما على ثابت الغاز.

تفترض نظرية الحركة حتى الضغط ينشأ عن القوة الناتجة عن حركة الذرات واصطدامها بجدران الوعاء وعليه قام بولتزمان باستنتاج حتى جميع الطاقة تكون ناتجة عن الطاقة الحركية. ومن هذا فإن دالة توزيع الاحتمال ،متوسط طاقة الحركة، للغاز المثالي:

{\displaystyle E_{\text{k ={\frac {1 {2 mv_{\mathrm {rms ^{2 ={\frac {3 {2 kT\,,

حيث K هوثابت بولتزمان وهوخارج قسمة ثابت الغاز المثالي على عدد أفوجادرو، v_{rms هوجذر مربع السرعة المتوسطة. يوضح قانون الغاز المثالي حتى الطاقة الداخلية تتناسب طريدا مع درجة الحرارة.}

القانون الصفري في الديناميكا الحرارية

عند حدوث اتصال بين جسمين فإن هناك انتنطق للطاقة بين الجمسين في صورة حرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد إلى حتى يصل كلاهما إلى حالة الإتزان الحراري حيث يتوقف انتنطق الحرارة بين الجسمين وتصبح حالة الجسمين ثابتة.

ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على أنه إذا كان هناك جسمين في توازن حراري مع جسم ثالث فإن الجسمينقد يكونان في حالة إتزان مع بعضهما البعض.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

في الفقرة السابقة فإنه تم تعريف خاصية محددة لدرجة الحرارة بالقانون الصفري. يمكننا أيضا تعريف درجة الحرارة بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي يتعامل مع الإنتروبيا. ينص القانون الثاني أنه لأي أجراءقد يكون هناك زيادة في الإنتروبيا أوعلى الأقل تظل ثابتة.

لقد تم التوضيح سابقا ان درجة الحرارة تتحكم في انتنطق الحرارة بين نظامين وقد تم التوضيح حتى هناك دائما زيادة في الإنتروبي. إنه من المتسقط حتى هناك علاقة بين درجة الحرارة والإنتروبيا. ولكي نجد هذه العلاقة فإننا أولا نجد العلاقة بين الحرارة، الشغل ودرجة الحرارة. المحرك الحراري هوجهاز لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. الشغل الناتج من المحرك الحراري يمكن حسابه من حساب الفرق بين الحرارة الداخلة إليه عند درجة حرارة عالية q_{H والحرارة المهدرة عند درجة الحرارة المنخفضة qC. كفاءة المحرك يتم حسابها من العلاقة:}

{\displaystyle {\textrm {efficiency ={\frac {w_{cy {q_{H ={\frac {q_{H -q_{C {q_{H =1-{\frac {q_{C {q_{H \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(4)

حيث w_cy هوالشغل لكل دورة. تعتمد الكفاءة على q_C/q_{H. ولأن qC وqH يعبران عن الحرارة المنتقلة عند درجات الحرارة Tc وTH على التوالي، فإن qC/qH هي دالة في درجات الحرارة.}

{\displaystyle {\frac {q_{C {q_{H =f(T_{H ,T_{C )\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(5)

تنص نظرية كارنوعلى أنه جميع المحركات التي تعمل بين نفس درجات الحرارة لها نفس الكفاءة. لذلك فإن المحرك الحراري الذي يعمل بين T1 وT3 يجب حتىقد يكون له نفس الكفاءة عندما يعمل بين دورتين أحدها بين T1 وT2 والأخرى بين T2 وT3.

{\displaystyle q_{13 ={\frac {q_{1 q_{2 {q_{2 q_{3

{\displaystyle q_{13 =f(T_{1 ,T_{3 )=f(T_{1 ,T_{2 )f(T_{2 ,T_{3 )

{\displaystyle {\frac {q_{C {q_{H ={\frac {T_{C {T_{H \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(6)

بالتعويض عن المعادلة رقم أربعة في المعادلة رقم 2:

{\displaystyle {\textrm {efficiency =1-{\frac {q_{C {q_{H =1-{\frac {T_{C {T_{H \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(7)

عند T_C = 0 K فإن الكفاءة تكون 100% وتكون أكبر من 100% عندما تكون أقل من صفر كلفن ولكن هذا يتعارض مع القانون الأول حيث أنه أقل درجة حرارة هي الصفر الكلفن.

{\displaystyle {\frac {q_{H {T_{H -{\frac {q_{C {T_{C =0

الإشارة السالبة تشير حتى الحرارة تكون مطرودة من النظام. هذه العلاقة ينتج عنها دالة S :

{\displaystyle dS={\frac {dq_{\mathrm {rev {T \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(8)

التغير في هذه الحالة حول نفس الدورة تكون صفر.

{\displaystyle T={\frac {dq_{\mathrm {rev {dS \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(9)

{\displaystyle {T ^{-1 ={\frac {d {dE S(E)\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(10)

مراجع

^ Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105.
↑ The kelvin in the SI Brochure^{[وصلة مكسورة]}نسخة محفوظة 23 أغسطس 2014 على مسقط واي باك مشين.
↑ "Absolute Zero". Calphad.com. مؤرشف من الأصل فيتسعة أكتوبر 2018. اطلع عليه بتاريخ 16 سبتمبر 2010.
^ Swendsen, Robert (March 2006). "Statistical mechanics of colloids and Boltzmann's definition of entropy". American Journal of Physics. 74 (3): 187–190. Bibcode:2006AmJPh..74..187S. doi:10.1119/1.2174962.
^ Balescu, R. (1975). Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics, Wiley, New York, ISBN 0-471-04600-0, pages 148-154.
↑ Kittel, Charles; Kroemer, Herbert (1980). Thermal Physics (الطبعة 2nd). W. H. Freeman Company. صفحات 391–397. ISBN .
^ Kondepudi, D.K. (1987). "Microscopic aspects implied by the second law". Foundations of Physics. 17: 713–722. Bibcode:1987FoPh...17..713K. doi:10.1007/BF01889544.
^ ريتشارد فاينمان, R.P., Leighton, R.B., Sands, M. (1963). The Feynman Lectures on Physics, Addison–Wesley, Reading MA, volume 1, pages 39–6 to 39–12.
^ Kinetic Theory نسخة محفوظة 24 ديسمبر 2017 على مسقط واي باك مشين.
^ Tolman, R.C. (1938). The Principles of Statistical Mechanics, Oxford University Press, London, pp. 93, 655.
^ Peter Atkins, Julio de Paula (2006). Physical Chemistry (الطبعة 8). Oxford University Press. صفحة 9.