درجة حرارة

معلومات عامة
الرموز الشائعة	T
نظام الوحدات الدولي	كلفن (K)
وحدات أخرى	°C، °F، °R
مكثفة ؟	yes
الاشتقاق من; كميات أخرى	pVnR, dqrevdS
التحليل البعدي	ثيتا

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 أو ذرات جسم ما ودرجة حرارته. هناك العديد من الوحدات لقياس درجة الحرارة مثل الكلفن و السيلزيوس و درجة 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.^[1]

وحدات قياس الحرارة

الكلفن هو المقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI وهو مقياس كثير الاستعمال في الميادين العلمية.^[2] يجب استخدامه إذا أردت حساب نسب من درجة الحرارة.
السيليزية C (درجة مئوية) وهو المقياس الرئيسي المعتمد في حياتنا اليومية في غالبية دول العالم.^[3]
الفهرنهايت F وهو المقياس المعتمد في الولايات المتحدة الأمريكية.
درجة الحرارة المطلقة وهي كلفن.

سعة حرارية

عندما تنتقل الطاقة من الجسم أو إلية في صورة حرارة فقط فإن حالة الجسم تتغير. يعتمد مقدار التغير على المحيط والجدران التي تفصل بين الأجسام. يشمل 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 عبارة عن زيادة في درجة الحرارة عند ثبوت الحجم مع عدم وجود تغير في الطور أو تغيرات كيميائية فإنه ينتج عنه ارتفاع 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.

C_{V} = \frac{Δ Q}{Δ 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 لرفع درجة حرارة الماء درجة واحدة كلفن فإننا نحتاج إلى كمية حرارة مقدارها 4186 جول لكل كجم.

C_{V} = \frac{Δ Q}{Δ 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 العلماء درجة الحرارة بمقياس سليزيوس ودرجة حرارة الديناميكا الحرارية بمقياس كلفن ( 0K = −273.15°C أو درجة 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.^[2] الصفر المطلق هو 0 كلفن ويساوي -273.15 سليزيوس. النقطة الثلاثية للماء هي نقطة الطاقة الصفرية.^[3] تعرف المادة التي تكون في الحالة الأأرضية لها بدرجة حرارة 273.16 كلفن و 0.01 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 المختلفة 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 كل من ماكسويل وبولتزمان بتطوير نظرية الحركة لفهم درجة حرارة الغازات.^[4]^[5]^[6]^[7] 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:^[8]

p V = n R T

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 أن الضغط ينشأ عن القوة الناتجة عن حركة الذرات واصطدامها بجدران الوعاء وعليه قام بولتزمان باستنتاج أن كل الطاقة تكون ناتجة عن الطاقة الحركية.^[9] ومن هذا فإن دالة توزيع الاحتمال ،متوسط طاقة الحركة، للغاز المثالي:^[6]^[10]

E_{k} = \frac{1}{2} m v_{r m s}^{2} = \frac{3}{2} k T,

حيث K هو ثابت بولتزمان وهو خارج قسمة ثابت الغاز المثالي على عدد أفوجادرو، v_{rms هو جذر مربع السرعة المتوسطة. يوضح قانون الغاز المثالي أن الطاقة الداخلية تتناسب طريدا مع درجة الحرارة.^[11]}

القانون الصفري في الديناميكا الحرارية

عند حدوث اتصال بين جسمين فإن هناك انتقال للطاقة بين الجمسين في صورة حرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد إلى أن يصل كلاهما إلى حالة الإتزان الحراري حيث يتوقف انتقال 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 الجسمين 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 أجراء يكون هناك زيادة في الإنتروبيا أو على الأقل تظل ثابتة.

لقد تم التوضيح سابقا ان درجة الحرارة تتحكم في انتقال الحرارة بين نظامين وقد تم التوضيح أن هناك دائما زيادة في الإنتروبي. إنه من المتوقع أن هناك علاقة بين درجة الحرارة والإنتروبيا. ولكي نجد هذه العلاقة فإننا أولاً نجد العلاقة بين الحرارة، الشغل ودرجة الحرارة. المحرك الحراري هو جهاز 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:}

efficiency = \frac{w_{c y}}{q_{H}} = \frac{q_{H} - q_{C}}{q_{H}} = 1 - \frac{q_{C}}{q_{H}} (4)

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

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

تنص نظرية كارنو على أنه كل المحركات التي تعمل بين نفس درجات الحرارة لها نفس الكفاءة. لذلك فإن المحرك الحراري الذي يعمل بين T1 و T3 يجب أن يكون له نفس الكفاءة عندما يعمل بين دورتين أحدها بين T1 و T2 والأخرى بين T2 و T3.

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

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

\frac{q_{C}}{q_{H}} = \frac{T_{C}}{T_{H}} (6)

بالتعويض عن المعادلة رقم 4 في المعادلة رقم 2:

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.

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

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

d S = \frac{d q_{r e v}}{T} (8)

التغير في هذه الحالة حول نفس الدورة تكون صفر.

T = \frac{d q_{r e v}}{d S} (9)

T^{- 1} = \frac{d}{d E} S (E) (10)

مراجع

^ Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105.
^ ^أ ^ب The kelvin in the SI Brochure^{[وصلة مكسورة]} نسخة محفوظة 23 أغسطس 2014 على موقع واي باك مشين.
^ ^أ ^ب "Absolute Zero". Calphad.com. مؤرشف من الأصل في 2018-10-09. اطلع عليه بتاريخ 2010-09-16.
^ Swendsen، Robert (مارس 2006). "Statistical mechanics of colloids and Boltzmann's definition of entropy". American Journal of Physics. ج. 74 ع. 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.
^ ^أ ^ب Kittel، Charles؛ Kroemer, Herbert (1980). Thermal Physics (ط. 2nd). W. H. Freeman Company. ص. 391–397. ISBN:0-7167-1088-9.
^ Kondepudi، D.K. (1987). "Microscopic aspects implied by the second law". Foundations of Physics. ج. 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 موقع 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 (ط. 8). Oxford University Press. ص. 9.

في كومنز صور وملفات عن: درجة حرارة

[1] Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105.

[The_kelvin_in_the_SI_Brochure-2] أ ^ب The kelvin in the SI Brochure^{[وصلة مكسورة]} نسخة محفوظة 23 أغسطس 2014 على موقع واي باك مشين.

[calphad.com-3] أ ^ب "Absolute Zero". Calphad.com. مؤرشف من الأصل في 2018-10-09. اطلع عليه بتاريخ 2010-09-16.

[4] Swendsen، Robert (مارس 2006). "Statistical mechanics of colloids and Boltzmann's definition of entropy". American Journal of Physics. ج. 74 ع. 3: 187–190. Bibcode:2006AmJPh..74..187S. DOI:10.1119/1.2174962.

[5] Balescu, R. (1975). Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics, Wiley, New York, ISBN 0-471-04600-0, pages 148-154.

[K&K_391_397-6] أ ^ب Kittel، Charles؛ Kroemer, Herbert (1980). Thermal Physics (ط. 2nd). W. H. Freeman Company. ص. 391–397. ISBN:0-7167-1088-9.

[7] Kondepudi، D.K. (1987). "Microscopic aspects implied by the second law". Foundations of Physics. ج. 17: 713–722. Bibcode:1987FoPh...17..713K. DOI:10.1007/BF01889544.

[8] 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.

[9] Kinetic Theory نسخة محفوظة 24 ديسمبر 2017 على موقع واي باك مشين.

[10] Tolman, R.C. (1938). The Principles of Statistical Mechanics, Oxford University Press, London, pp. 93, 655.

[atkins-11] Peter Atkins, Julio de Paula (2006). Physical Chemistry (ط. 8). Oxford University Press. ص. 9.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

وصلة مكسورة

ع ن ت متغيرات الأرصاد الجوية
عام	عملية كظومة معدل السقوط برق أشعة الشمس دوامية ريح
تكثيف	سحاب نوى التكاثف ضباب
انتقال الحرارة	لااستقرار حملي
درجة حرارة	درجة تكثف مؤشر هينز مؤشر الحرارة رطوبة تبريد الرياح
ضغط	ضغط جوي

ع ن ت مياه صرف
المصادر	تصريف حمض المناجم ماء الصابورة حمام (مغتسل) مياه سوداء أجاج برج تبريد ماء تبريد مياه رمادية صرف صناعي تبادل أيوني سماد طبيعي صناعة الورق تناضح عكسي صرف صحي حمأة مرحاض
معايير جودة مياه الصرف الصحي	مطلوبية الأكسجين البيوكيميائية مطلوبية الأكسجين الكيميائية فلز ثقيل أس هيدروجيني ملوحة درجة حرارة إجمالي المواد المذابة عكورة
معالجة الصرف الصحي	الحمأة المنشطة كلورة المياه معالجة الأراضي الرطبة ترشيح تبادل أيوني تناضح عكسي حوض ترسيب خزان صرف صحي معالجة الصرف الصحي أشعة فوق بنفسجية مبيدة للجراثيم
خيارات التخلص	تغذية المياه الجوفية ري (زراعة) معالجة المياه المستعملة خزان تجميع جريان المياه السطحية

درجة حرارة

محتويات

وحدات قياس الحرارة