الحراره

حرارة
عدلراقب هذه الصفحة

الحرارة من الشمس هي القوة المحركة لمعظم الحياة على الأرض. علم الحرارة وعلاقتها في العمل هي الديناميكا الحرارية. يحدث تدفق الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد بطرق كثيرة.

معدن ساخن
الحرارة في الفيزياء والكيمياء إحدى أشكال الطاقة، يترافق معها حركة الذرات أو الجزيئات أو أي جسيم يدخل في تركيب المادة. ممكن توليد الحرارة عن طريق:

التفاعلات الكيماوية مثل الاحتراق،
أو التفاعلات النووية كالاندماج النووي الحادث في الشمس
أو الإشعاع الكهرطيسي كالحاصل في المواقد الكهرطيسية
أو الحركة مثل احتكاك أجزاء الآلات.
تتنقل الحرارة بين الأجسام بالإشعاع والتوصيل حراري والحمل الحراري. وتنتقل الحرارة تلقائيا من درجة الحرارة الأعلى للأدنى. فدرجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أو برودته، وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس.

تسمى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة بالسعة الحرارية. السعة الحرارية لكل مادة محددة ومعروفة. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة ما درجة واحدة تسمى بالحرارة النوعية وهي تعتمد على حالة المادة وتركيبها الكيماوي. عند احتراق الوقود تصدر كمية من الحرارة تعرف باسم القيمة الحرارية للوقود وتقدر عادة بالوحدة الحرارية البريطانية. خلال عملية تحول مادة نقية من حالة إلى أخرى يتم فقد حرارة أو اكتسابها دون أي تغير في درجات الحرارة وتعرف كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة إبان عملية التحول باسم الحرارة الكامنة وتعتمد بشكل مباشر على نوعية المادة وحالتها الابتدائية والنهائية.

محتويات
الحرارة النوعية للمواد
تحول الطور
خواص حرارية للمواد
تعيين كمية الحرارة
المحرار "ميزان الحرارة"
المحرار السائلي
أنواع أخرى من المحارير
المزدوجة الحرارية
انتقال الحرارة
طرق انتقال الحرارة
الطاقة الداخلية والإنثالبي
معدلات حرارة الأرض
المراجع
انظر أيضا
الحرارة النوعية للموادعدل

تنتقل الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد ولا يحدث العكس ، هذا هو منطوق القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وتستمر الحرارة في الانتقال حتى تتساوى درجة الحرارة في الجسمين ويصل الجسمين إلى خالة تسمى توازن حراري.

عند انتقال حرارة Q من جسم ساخن إلى جسم بارد يكون ذلك غالبا مصحوبا بتغير في درجة الحرارة :

\delta Q = C_\mathrm{V} \cdot m \cdot \mathrm{d} T \!
\delta Q = C_\mathrm{p} \cdot m \cdot \mathrm{d} T \!
حيث:

CV الحرارة النوعية عند ثبات الحجم V,
Cp الحرارة النوعية عند ثبات الضغط ,
m كتلة , المادة التي يحدث فيها تغير في درجة الحرارة.
كل من المعادلتين تقول ببساطة: " التغير في كمية حرارة الجسم تساوي حاصل ضرب حرارته النوعية x كتلته x التغير في درجة حرارته". وكما نرى توجد للمواد حرارتين نوعيتين : "حرارة نوعية عند ثبات الضغط" و"حرارة نوعية عند ثبات الحجم " ، ويظهر الفرق بينهما واضحا في الغازات. أما في السوائل والجوامد فلا فرق يذكر بين هاتين الحرارتين النوعيتين.

وتسمى حرارة نوعية لأنها تختلف من مادة إلى مادة ، أي تعتمد على "نوع " المادة (ماء، هواء ، نحاس ، حديد ، زئبق).

معدل انتقال الحرارة \frac{\delta Q}{\delta t} = \dot{Q} ، أي تغير الحرارة مع تغير الزمن يسمى الفيض الحراري. السطح التلامس بين مادتين (أو وسطين) يتميز " بمعامل انتقال حرارة ".

تحول الطورعدل

توجد أيضا أنظمة يؤدي انتقال الحرارة إليها إلى تحول طوري ولا يؤدي إلى رفع درجة الحرارة. فمثلا عند غليان سائل حيث يتبخر ويتغير من الطور السائل إلى طور البخار. طوال عملية التبخر تبقى درجة الغليان ثابتة. حتى يتحول كل السائل إلى بخار.

كما يمكن أن تتحول جزء من الحرارة إلى عمل أو شغل W (من كلمة Work الإنجليزية) ، وهذا هو مبدأ الآلة البخارية أو محرك الاحتراق الداخلي.

من وجهة الحركة الحرارية (ترموديناميكا) يحدد تموين نظام بحرارة من الخارج وتموين النظام بشغل من الخارج يحددان الارتفاع في الطاقة الداخلية U للنظام. هذا هو منطوق القانون الأول للديناميكا الحرارية:

\mathrm{d} U = \delta Q + \delta W \!\quad {\rm{(1.\,\,Law-of- Thermodynamics)}}
حيث:

δW الشغل المؤدى على النظام , مثل عملية كبس السائل.
خواص حرارية للموادعدل

من الخواص الحرارية للمواد حرارة التبخر وحرارة الانصهار وهي تختلف من مادة إلى مادة ونقيسها بوحدة جول/كيلوجرام أو جول/مول.

من الخواص الحرارية للمواد أيضا نقطة التبخر ونقطة الانصهار وهي تختلف أيضا باختلاف نوع المادة. نقيس هذه ب درجة مئوية أو كلفن.

بدراستنا لعلم الترموديناميكا اكتشفنا خواصا حرارية جديدة للمواد مثل إنتالبي وإنتروبيا. كما إكتشفنا أننا نستطيع تحويل الحرارة إلى شغل ميكانيكي مثلما في محرك الاحتراق الداخلي أو شغل كيميائي مثلما في خلية وقود.

تعيين كمية الحرارةعدل

يمكن قياس كمية الحرارة المنتقلة خلال عملية ما عمليا أو حسابها معتمدين على بعض الخواص الحرارية للمواد. يتم قياس كمية الحرارة - ورمزها عادة Q - بواسطة جهاز "الكالوريميتر" وتلك الطريقة هي التي ساعدت على فهمنا لكمية الحرارة. ونقيس التغير في كمية الحرارة لجسم عن طريق تغير في درجة حرارته أو تغير في طوله أو حجمه أو تعير في طوره مثلما عند انصهار الثلج. [1][2]

ويعتمد طرق تعيين كمية الحرارة الغير مباشرة على قانون بقاء الطاقة ، وفي بعض الأحيان نعتمد على القانون الأول للديناميكا الحرارية. الطريقة الغير مباشرة هي طريقة حسابية وتعتمد على بعض النظريات عن الحرارة (حركة حرارية أو ترموديناميك).[3][4][5]

المحرار "ميزان الحرارة"عدل

أو الترمومتر هي أداة لقياس درجة الحرارة في جسم الإنسان أو درجة حرارة الغرفة.توجد منها أنواع مختلفة ، ومعظمها يعمل بقياس تغير حجم سائل مثل الزئبق مع درجة الحرارة. أو تغير مقاومة كهربائية مع درجة الحرارة. أو تمدد غاز بارتفاع درجة حرارته.

نقيس درجة الحرارة ب درجة مئوية أو كلفن ونادرا بسلم فهرنهايت (انظر أسفله).

المحرار السائليعدل

نوع شائع من المحارير يقيس درجة الحرارة بتمدد السائل في انبوب زجاجي دقيق (انبوب شعري capillary). تحتوي بصلة زجاجية على سائل يكون عادة زئبقاً أو كحولا ملونا. وهما سائلان يستجيبان لتغير درجة الحرارة ـ يستخدم الزئبق لدرجات الحرارة العالية والكحول لدرجات الحرارة المتدنية.

مثال على المحرار السائلي :
محرار طبي : يستخدم لقياس درجة حرارة الجسم، ولذلك يكون مدى درجات حرارته منخفضاً نسبياً وتكون تدريجاته متوسطة لإعطاء قراءة دقيقة. مكوناته: يوجد في المحرار الطبي سلم ينتهي عادةً عند درجة حرارة 43 مئوية (سلزيوس)، ويوجد في السلم أعشار الدرجة المئوية. و يوجد في المحرار الطبي عمود ضيق من الزئبق لانه كمد وتكبِّره ساق زجاجية مثلثة. يوجد أيضاً في المحرار الطبي للحرارة تخصر في أول انبوب الزجاج يتمدد الزئبق المتمدد ويندفع ويتجاوزه. و يوجد انبوب شعري يحيط بالعمود الضيق الذي يحوي الزئبق. خصائص المحرار الطبي:

يتحرك الزئبق مسافة مرئية عند كل تغير في درجة الحرارة.
عندما يبرد الزئبق ويتقلص، لا يمكن أن يتراجع إلى البصلة إلا بالرج (مما يتيح وقتاً للقراءة).ـ تكون جدران البصلة الزجاجية رقيقة حتى يسخن الزئبق سريعاً.
موازين الحرارة القصوى maximum thermometers والدنيا minimum :
محارير سائلية تسجل درجة الحرارة القصوى أو الدنيا التي يتم بلوغها في فترة زمنية محددة. وهي تحتوي على مؤشر index معدني زجاجي يدفعه السطح الهلالي meniscu للسائل إلى أعلى أو يسحبه إلى أسفل. يبقى المؤشر عند الموضع الأقصى أو الأدنى الذي يبلغه أثناء الفترة التي يترك فيها المحرار. ويعاد ضبطه بواسطة مغناطيس.

أنواع أخرى من المحاريرعدل

المحرار الكهربائي :
يقيس درجة الحرارة من تغير المقاومة الذي يحدث بنتيجتها في السلك. و تستخدم أجهزة أخرى أسفل جناحي الطائرة مثلاً، لقياس تغير المقاومة في المقومات الحرارية.

المزدوجة الحراريةعدل

تستخدم القوة المحركة الكهربائية التي تنشأ عبر الوصلات المعدنية لقياس اختلاف درجة الحرارة.

بعض التعريفات المتعلقة بالحرارة:
النقطة الثابتة: درجة حرارة تحدث عندها تغيرات ملحوظة (في شروط محددة)، ومن ثم يمكن إعطاؤها قيمة تقاس بالنسبة لها درجات الحرارة الأخرى كافة. من امثلتها نقطة الجليد ICE POINT (درجة الحرارة التي ينصهر عندها الجليد النقي) ونقطة البخار STEAM POINT (درجة حرارة البخار فوق الماء المغلية تحت الضغط الجوي). و تستخدم نقطتان ثابتتان لمعايرة ميزان الحرارة (نقطة ثابتة دنيا ونقطة ثابتة عليا). وتمثل المسافة بين هاتين النقطتين المدى الأساسي FUNDAMENTAL INTERVAL)).

سلم درجة الحرارة المطلقة absolute tempreture scale ، وهو يستخدم في دراسة علم الحرارة (أو الدينامية الحرارية thermodynamic):
سلم معياري لدرجات الحرارة يستخدم وحدة كلفن Kelvin. درجة الصفر المطلق تعادل -16 و273 درجة مئوية.

تعطى قيمة الصفر المطلق أدنى درجة حرارة يمكن تحقيقها نظرياً ، وتسمى الصفر المطلق absolute zero. ويتعذر الوصول إلى درجة الصفر المطلق : طبقا للديناميكا الحرارية فهذا يتطلب قدرا كبيرا جدا من الشغل الحراري.

سلم سلزيوس:
سلم معياري لدرجات الحرارة مئوي ، مماثل في تدريجه لسلم درجة الحرارة المطلقة، لكن يعطي الصفر لنقطة التجمد ودرجة 100 نقطة التبخر. يسمى أيضا السلم المئوي لدرجة الحرارة.

سلم فهرنهايت :
سلم قديم تعطى فيه درجة 36 ف لنقطة الجليد و 212 ف لنقطة التبخر. هذا السلم هو نظام إنجليزي ، وقلما يستعمل هذا السلم في الأغراض العلمية.

انتقال الحرارةعدل

حيثما يوجد اختلاف في درجة الحرارة، تنتقل الطاقة الحرارية (الحرارة) بالتوصيل والحمل والإشعاع من الجسم الساخن إلى الجسم البارد ولا تنتقل بالعكس. يزيد ذلك الطاقة الداخلية internal energy للذرات الجسم الأبرد فترتفع درجة حرارته وتنخفض الطاقة الداخلية لذرات الجسم الاسخن وتنخفض بالتالي درجة حرارته. ويستمر انتقال الحرارة ذلك حتى تتساوى درجة الحرارة في الجسمين أو في المخلوط إذا كان مخلوطا ، ويحدث اتزان حراري thermal equilibrium ذاتيا.