الحرارة توصف الأشياء، تبعاً لسخونتها، بأنها حارة، وساخنة، وباردة؛ فيقال يوم قائظ، أو يوم حار، أو شديد الحرارة؛ كما يقال للطبيب، إن المريض ارتفعت حرارته. وهذا التصنيف، نسبي؛ فالشاي يتناول ساخناً، بينما تتناول المشروبات الغازية باردة؛ ولو كان الشاي أقل سخونة من المعتاد، لقيل إنه بارد، ويحتاج إلى تسخين. والشعور بحرارة الهواء نسبي كذلك؛ فدرجة حرارة 30 ْ مئوية، في شهر يونيه، في مدينة الرياض، مثلاً، تجعل اليوم معتدلاً. ولكن الدرجة نفسها، في المكان نفسه، في شهر يناير، تجعل اليوم شديد الحرارة. ولجسم الإنسان درجة حرارة معيارية ثابتة، يقارن بها ارتفاع درجة حرارته أو انخفاضها.
ولكن، من الواضح، أن هناك خلطاً كبيراً بين مفهومَي الحرارة ودرجتها؛ على الرغم من أهميتهما وشيوع استعمالهما. لذا، فإن من الأولى، في بداية البحث، إيضاح الفرق بينهما، وكيفية قياس كلٍّ منهما؛ وتبيان الآلية، التي تنتقل بها الحرارة من جسم إلى آخر. وذلك يشكل أساساً للنظر في التوزع الرأسي للحرارة، في الغلاف الغازي؛ وتوزعها الأفقي، على سطح الأرض.
1- الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة
إن جميع المواد مكونة من جزيئات وذرات، دائمة الاهتزاز والحركة؛ ولكنها متفاوتة السرعة، في المادة الواحدة. فلو أمكن رؤية جزيئات غاز الأكسجين، مثلاً، في حاوية، لتبيّن أن بعضها لا يكاد يتحرك، وبعضاً آخر يتحرك بسرعة عالية، وبعضها الأكبر حركته متوسطة. ولو كانت درجة حرارة Temperature غاز الأكسجين صفراً مئوياً، فإن 1.3% من الجزيئات، سيراوح معدل حركتها بين صفر و360 كيلومتراً، في الساعة؛ و7.7% ستتجاوز سرعتها 2670 كيلومتراً، في الساعة؛ ونحو 91% منها، ستراوح سرعتها بين الرقمين 360 و2670 كيلومتراً، في الساعة. وبذا، فإن متوسط سرعة جزيئات الأكسجين، في هذه الحالة، يساوي 1660 كيلومتراً، في الساعة.
ولكن، ما الذي يحدث لمتوسط سرعة جزيئات الأكسجين، لو ارتفعت درجة الحرارة؟ عند درجة حرارة 30 ْمئوية، سيكون متوسط سرعتها 1750 كيلومتراً، في الساعة؛ وعندما تصل درجة الحرارة إلى 100 ْ مئوية، يرتفع إلى 1941 كيلومتراً، في الساعة. إذاً، كلما ارتفعت درجة الحرارة، ازداد متوسط سرعة الجزيئات. وحركة الجزيئات، تعبّر عن الطاقة الحركية Kinetic energy؛ فدرجة الحرارة لأي مادة، هي مقياس لمتوسط طاقتها الحركية، أو متوسط سرعة حركة جزيئاتها.
والحرارة Heat شكل من أشكال الطاقة. وتعرَّف بأنها إجمالي الطاقة الحركية، لكل الذرات والجزيئات المكونة للمادة. ويمكن أن ينظر إليها، على أنها طاقة في حالة انتقال بين جسمَين، مختلفَين في درجة حرارتهما. ولإيضاح الفرق بين الحرارة ودرجتها قارن بين كوب ساخن من الشاي، وحوض سباحة مملوء بالماء الدافئ. لا شك أن درجة حرارة السائل، في كوب الشاي، سيكون أعلى؛ ولكن كميته، ستكون أقل كثيراً مما في حوض السباحة؛ وستختزن طاقة، أقلّ، كذلك، من الطاقة في مياه الحوض. واستطراداً، فإن إجمالي الطاقة في الكوب، يقل كثيراً عنه في حوض السباحة. ويمكن أن يستدل على ذلك، بوضع مكعب صغير من الثلج في الأول، وآخر في الثاني، والمؤكد أن درجة حرارة الشاي، ستنخفض كثيراً، بعد ذوبان مكعب الثلج؛ بينما لن يتأثر الماء في حوض السباحة؛ إذ إن الطاقة المختزنة في الكوب قليلة، استُهلك جزء كبير منها في إذابة مكعب الثلج الصغير؛ بينما لم يظهر أثر مكعب الثلج في ماء الحوض.
ويمكن إيضاح هذه الحقيقة بمثال آخر: لو وُضع إناءان، بحجم واحد، على النار؛ الأول مملوء كله بالماء، والثاني مملوء ربعه فقط، لبدأت الحرارة تنتقل إلى السائل فيهما، بمعدل انتقال واحد؛ لأن قوة النار تحتهما واحدة. إلا أن ارتفاع درجة الحرارة، سيكون أكثر سرعة إلى الإناء الأقل ماءً، منه إلى الإناء الممتلئ، الذي سيغلي ماؤه، حكماً، بعد غليان نظيره؛ أي أنه سيحتاج إلى كمية أكبر من الطاقة (الحرارة) تعجّل غليانه. كمية الحرارة، إذاً، تعتمد على كتلة المادة؛ ولكن درجة الحرارة، لا تعتمد عليها. لذا فإن طبقة الثيرموسفير Thermosphere، وهي الطبقة الرابعة، والخارجية، من الغلاف الغازي، ترتفع فيها درجة الحرارة إلى ما فوق ألف درجة مئوية. فعلى ارتفاع 300 كيلومتر من سطح الأرض، تراوح الحرارة بين 700 و1700 درجة مئوية، تبعاً للنشاط الشمسي (الشكل الرقم 89)؛ ولأن جزيئات الهواء، تمتص الأشعة الشمسية قصيرة الموجة، عالية الطاقة، فإن درجة حرارتها ترتفع. في هذه الطبقة، تمتص جزيئات الأكسجين الأشعة الشمسية فوق البنفسجية، بطول موجة أقلّ من 0.2 ميكرومتر؛ ما يوفر طاقة كافية لفصل جزيء الأكسجين إلى ذرتَين من الأكسجين؛ وفائض الطاقة، يظهر على شكل زيادة في سرعة ذرات الأكسجين. ولكن، لأن الهواء متخلخل جداً في هذه الطبقة، فلا يوجد إلا القليل من الذرات والجزيئات؛ فإن امتصاص كمية قليلة من الطاقة الشمسية، يؤدي ارتفاع درجة الحرارة ارتفاعاً كبيراً. ولهذا السبب، تحدد درجة حرارة التوابع الفضائية Satellites، التي تدور حول الأرض، في طبقة الثيرموسفير، على أساس كمية الإشعاع الشمسي، التي تمتصها، وليس على أساس درجة الحرارة العالية للهواء المحيط بها، والذي يكاد يكون معدوماً. وعلى الرغم من الارتفاع الشديد لدرجة الحرارة (سرعة جزيئات الهواء)، فلو أن أحد ملاحي الفضاء، أخرج يده من المركبة، في تلك الطبقة، فلن يشعر بالحرارة الشديدة؛ وذلك لقلة جزيئات وذرات الهواء التي تصادم يده (الشكل الرقم 90). وعلى الرغم من أن مفهومَي الحرارة ودرجتها مميزان ومختلفان أحدهما عن الآخر؛ إلا أنهما مترابطان. فالمؤكد أن زيادة حرارة المادة، تؤدي رفع درجة حرارتها. إضافة إلى ذلك، فإن وجود فارق في درجة الحرارة، يحدد اتجاه سريانها. فعندما يوجد اتصال بين جسمَين، مختلفَين في درجة الحرارة، تنتقل الحرارة من الجسم الأعلى في درجة حرارته إلى الأدنى، حتى يتحقق التوازن.
قياس الحرارة تمثل الحرارة الطاقة الحرارية، المنتقلة من جسم، درجة حرارته أعلى، إلى جسم، درجة حرارته أقلٍّ. ويقاس مقدار الطاقة الحرارية، المنقولة إلى أي جسم، بالسعرات الحرارية Calories. ويعرَّف السعر الحراري بأنه مقدار الحرارة (الطاقة)، اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من الماء، درجة مئوية واحدة. مثلاً، لو رفعت درجة حرارة جرام من الماء، من 30 ْ إلى 35 ْ درجة مئوية؛ فإن ذلك يعني، أن جرام الماء، زود بخسمة سعرات حرارية. وبالمثل، يلزم خمسة سعرات حرارية، لرفع درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 30 ْ إلى 31 ْ درجة مئوية. وفي المقابل، يلزم التخلص من خمسة سعرات حرارية، لخفض درجة حرارة جرام واحد من الماء، من 35 ْ إلى 30 ْ درجة مئوية، مثلاً؛ أو لخفض درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 35 ْ إلى 34 ْ درجة مئوية.
وينبغي أن لا يخلط السعر الحراري، المستخدم هنا، بما يستخدمه الغذائيون، ويسمونه السعر الحراري، وهو في الواقع يساوي ألف سعر حراري، أو هو ما يطلق عليه كيلو سعرKilocalorie.
لقد سبق القول، إن تزويد المادة بالحرارة، يؤدي رفع درجة حرارتها. ولكن، هناك حالات، تستهلك فيها المادة الحرارة، من دون أن يظهر أثر ذلك في درجة حرارتها. فتعريض الماء لمزيد من الحرارة، عند درجة الغليان، لا يزيد حرارته، بل يبخره. من الواضح هنا أن الطاقة المكتسبة، بعد الغليان، لا تظهر على شكل ارتفاع في درجة الحرارة، بل تستهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، لتتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية (بخار ماء). ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للتبخر 
Latent heat of Vaborization . وكذلك لو غُمس ثرمومتر في قالب من الثلج، درجة حرارته -20 ْم تحت الصفر؛ وعُرِّض الثلج للحرارة، فإنها ستؤدي ارتفاع درجة حرارته، بالتدريج، حتى يصل إلى درجة الصفر المئوي، حيث سيتوقف، على الرغم من استمرار التزويد بالقدر نفسه من الحرارة! في هذه المرحلة، الطاقة الواصلة، لا يظهر لها أثر في درجة الحرارة؛ لأنها تستهلك في فك الروابط البينية بين الجزيئات، عند تحوِّل البلورات الثلجية إلى ماء سائل. ويطلق على الحرارة المستهلكة في هذه العملية، الحرارة الكامنة للإذابة Latent heat of melting (الشكل الرقم 91). يتمثل في (الشكل الرقم 91) جرام واحد من الثلج، درجة حرارته -40 ْ مئوية؛ سُلِّط عليه مقدار مقنن من الحرارة. يلاحظ أن إضافة عشرين سعراً حرارياً رفعت درجة حرارته من -40 ْم، إلى درجة صفر مئوي. وذلك ناتج من أن السعة الحرارية للثلج، تساوي نصف سعر حراري للجرام. ولكن، بعد الوصول إلى درجة الصفر المئوي، توقّف ارتفاع درجة الحرارة، على الرغم من استمرار التزود بالطاقة، حتى الوصول إلى الرقم 100، على المحور السيني (الأفقي). وذلك يعني استهلاك 80 سعراً حرارياً، من دون تغير درجة الحرارة. ولكن جرام الثلج، في نهاية هذه المرحلة، تحوّل إلى جرام من الماء؛ والحرارة المضافة، استهلكت في فك الروابط البينية، ويطلق عليها الحرارة الكامنة للإذابة. لقد استهلك جرام الثلج، لتحويله من حالة التجمد بدرجة -40 ْ مئوية، إلى الحالة السائلة عند درجة صفر مئوي، 100 سعر حراري. بعد ذلك، أي حرارة مضافة، سيظهر أثرها في درجة حرارة جرام الماء، بواقع زيادة درجة مئوية واحدة، لكل سعر حراري مضاف. وعندما تصل درجة حرارة جرام الماء إلى 100 ْم، بعد إضافة 100 سعر حراري، تتوقف الزيادة في درجة الحرارة. ويستهلك جرام الماء 450 سعراً حرارياً، من دون أن يظهر لها أثر في درجة حرارة الماء. والشيء الوحيد الملاحظ، هو تناقص الماء في الإناء، نتيجة لتبخره. وبعد استهلاك 450 سعراً حرارياً، يكون جرام الماء، قد تحوّل كله إلى بخار. ذلك المقدار من الحرارة، الذي استهلك، ولم يظهر له أثر في درجة حرارة الماء، استهلك في فك الروابط البينية بين جزيئات الماء، ويطلق عليه الحرارة الكامنة للتبخر.
والحرارة الكامنة للتبخر أعلى من الحرارة الكامنة للإذابة، التي لم تتعدَّ 80 سعراً للجرام الواحد من الماء؛ وذلك لأن التحول من حالة السيولة إلى حالة الغازية، يحتاج إلى فك جميع الروابط البينية بين الجزيئات، فتنطلق جزيئات بخار الماء في الهواء بحرية تامة. وعند التحول من حالة الصلابة (الثلج) إلى حالة السيولة (ماء)، لا يلزم فك جميع الروابط البينية، بل بعضها؛ بما يسمح بتحرك جزيئات الماء مع بعضها. ويجب أن يلاحظ، أنه عند التعامل مع الظروف البيئية العادية، ومعدلات درجات الحرارة السائدة في البيئات الطبيعية، يتبخر الماء؛ على الرغم من أن درجة حرارته، لم تصل إلى درجة الغليان 100 ْم. ويحتاج جرام الماء، في هذه الحالات، إلى 600 سعر حراري، للتحول إلى بخار. وتنطلق هذه الحرارة الكامنة عند تكاثفه، مرة أخرى.
2- قياس درجة الحرارة للتعبير عن درجة الحرارة، كَمّاً، كان لا بدّ من وجود مقاييس معيارية، وخاصة أن الشعور ببرودة الأشياء أو سخونتها، نسبي إلى حدٍّ كبير. فلو أن هناك ثلاثة أكواب من الماء، في الأول ماء بارد، وفي الثاني ماء دافئ، وفي الثالث ماء ساخن. فإن الإنسان، الذي يضع يده في الكوب الثالث، وينقلها إلى الكوب الثاني، سيشعر أن الماء في الكوب الثاني بارد. وعلى العكس من ذلك، لو أنه وضع يده في الكوب الأول، ثم وضعها في الكوب الثاني، فسيشعر أن الماء في الكوب الثاني ساخن. وتنطلق مقاييس درجة الحرارة من نقاط مرجعية؛ وأحياناً، تسمى نقاط الضبط، من هذه النقاط، مثلاً، درجة حرارة ذوبان الثلج، ودرجة حرارة غليان الماء تحت ضغط جوي محدد. هناك ثلاثة مقاييس شائعة، تقاس بها درجة الحرارة: مقياس كالفن، والمقياس الفهرنهايتي، والمقياس المئوي (الملحق الرقم 3) . ولكل مقياس من هذه المقاييس ميزات معينة (الشكل الرقم 92). ويمكن تحويل الدرجات المقيسة بأحد هذه المقاييس إلى المقياسَين الآخرَين، من دون عناء. أ- مقياس كالفن
يميل معظم العلماء والباحثين، عندما يشيرون إلى درجات الحرارة في أبحاثهم، إلى استخدام درجة الحرارة المطلقة، أو ما يسـمي مقياس كالفـن، الذي اسـتمد اسمه من مبتكـره، العالم البريطاني، اللورد كالفـن Lord Kelvin
(1824 - 1907)
يبدأ مقياس كالفن من الصفر المطلق، ويخلو من القيم السالبة؛ لذا، يفضل كثير من العلماء الباحثين، استخدامه في حساباتهم العلمية. إلى جانب ذلك،، فإنه عند درجة الصفر المطلق، تكون حركة جزيئات المادة في أضعف حالاتها، والطاقة الحركية في الحضيض؛ والجزيئات في أبرد ما يمكن أن تكون عليه. وعلى الرغم من ذلك، فإن بعض المواد، مثل الهيليوم، يبقى فيها، عند هذه الدرجة، بعض الحركة، على شكل اهتزازات أو تذبذب مكاني Vibrations بين الذرات، تمنعها من التجمد. ويطلق على هذه الاهتزازات، اهتزازات نقطة الصفر Zero point vibrations. وتسمى الطاقة المرتبطة بهذه الاهتزازات، طاقة نقطة الصفر Zero Point Energy. ولا يوجد درجة حرارة تحت الصفر المطلق.
وفي مقياس كالفن، لا توضع علامة الدرجة، كتلك الدائرة الصغيرة، التي توضع على أرقام درجات الحرارة، المقيسة بالمقياس المئوي أو الفهرنهايتي؛ وذلك، لأن المؤتمر العام للمكاييل والمقاييس، المنعقد في عامي 1967ـ1968، استبدل كلمة كالفن، والرمز K بتسمية درجات كالفن، والرمز K ْ؛ لذا يشار إلى الوحدات بالاسم المفرد كالفن، ويرمز إليها بالرمز المجرد K.
ودرجة ذوبان الثلج على هذا المقياس، هي 273.16 كالفن. ودرجة غليان الماء، هي 373.16 كالفن. ويفصل بين هاتَين القيمتَين مائة درجة متساوية.
ب- مقياس فهرنهايت
ابتكر هذا المقياس في أوائل القرن الثامن عشر الميلادي، وبالتحديد عام 1714. وسمي نسبة إلى مبتكره، العالم الفيزيائي الألماني، جبريل دانييل فهرنهايت Gabriel Daniel Fahrenheit. وفي هذا المقياس، جعل فهرنهايت الرقم 32، هو درجة الحرارة، التي يتجمد عندها الماء؛ والرقم 212، وهو درجة الحرارة لتبخره. وجعل الصفر أقلّ درجة حرارة، حصل عليها من خليط من الثلج والماء والملح. وقسم المدى، بين درجة التجمد ودرجة الغليان، إلى 180 قسماً متساوياً؛ كلٌّ منها هو درجة. ويرمز إلى الدرجات بالرمز F ْ. وقد استخدم فهرنهايت ثرمومتراً زئبقياً، في أنبوب زجاجي. وكانت نقطتا الضبط عنده، هما نقطة الصفر، ودرجة حرارة جسم الإنسان، في الظروف العادية، وقد قدرها بـ96 ْ. ولكن، لأن نقطتَي الضبط عنده، تصعب إعادة تمثيلهما بدقة، فإن المقياس الفهرنهايتي، يضبط، حالياً، بدرجة تجمد الماء ودرجة تبخره. إضافة إلى ذلك، فإنه مع التقدم التقني، أصبح المعروف، أن متوسط درجة حرارة جسم الإنسان 98.6 ْ فهرنهايت.
ج- المقياس المئوي
بعد ابتكار فهرنهايت لمقياسه بثمانٍ وعشرين سنةً، وبالتحديد سنة 1742م، قدم عالم الفلك السويدي، أندرس سيلسيوس Anders Celsius، مقياساً عشرياً لدرجات الحرارة. جعلت فيه نقطة ذوبان الثلج عند الدرجة الصفر، وجعلت درجة غليان الماء عند الدرجة 100 ْ؛ وقسم المدى، بين درجتَي التجمد والغليان، إلى 100 درجة متساوية. وقد اشتهر هذا المقياس، سنوات عديدة، باسم سينتجراد Centigrade Scale؛ ولكنه، حالياً، مشهور باسم مبتكره، ويطلق عليه سيلسيوس Celsius Scale وهو معروف، باللغة العربية، بالمقياس المئوي لدرجات الحرارة. ويطلق على الثرمومتر، المستخدم فيه، الثرمومتر المئوي.
تقسيمات الدرجات في المقياس المئوي، تساوي، بالضبط، تقسيمات الدرجات في مقياس كالفن؛ فهناك 100 ْ درجة في المقياسَين، بين نقطة ذوبان الثلج، ونقطة غليان الماء. ودرجات الحرارة فيهما، تلتقي عند درجة -40 ْ، إذ تتساوى القراءة في المقياسَين.
إن كان استخدام مقياس كالفن؛ مقتصراً على الأغراض العلمية، في الوقت الحاضر؛ فإن استخدام المقياس المئوي، هو الأكثر شيوعاً في العالم، ويستخدم في كل البلدان، التي تستخدم النظام المتري. ويقتصر استخدام المقياس الفهرنهايتي على عدد محدود جداً من الدول حالياً، واستخدامه على العموم في تلاشٍ. (الجدول الرقم 19) بعض أرقام المدى الحراري الواسع في الكون، وقياسات درجات الحرارة المتطرفة على سطح الأرض). 3- معادلة درجة الحرارة أ- معادلة درجة المقياس المئوي بدرجة المقياس الفهرنهايتي
هناك عاملان مهمان يؤثران في عملية المعادلة بين المقياسَين: المئوي والفهرنهايتي:
ـ الفارق بين نقطة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء، يساوي 100 درجة في المقياس الأول؛ و180 درجة، في الثاني؛ ما يجعل الدرجة المئوية Cْ، أكبر من الدرجة الفهرنهايتية Fْ، بما يساوي 180/100 أو 1.8. ولا بدّ من مراعاة هذا الفارق، عند معادلة درجة أحد المقياسَين بدرجة الآخر. فيجب أن يؤخذ ذلك الفارق في الاعتبار.
ـ الأخذ في الحسبان، عند المعادلة، أن درجة التجمد، في المقياس المئوي، هي الصفر؛ وفي المقياس الفهرنهايتي، هي 32 (الشكل الرقم 92). ويمكن استخدام إحدى المعادلتَين التاليتَين، في المعادلة بين درجات المقياسَين: للتحويل من المئوي إلى الفهرنهايتي:
للتحويل من الفهرنهايتي إلى المئوي:
ب- معادلة درجة المقياس المئوي بدرجة مقياس كالفن
يشبه مقياس كالفن المقياس المئوي؛ إذ إن تقسيماتهما متساوية تماماً. فهناك 100 درجة، في المقياسَين، تفصل بين درجة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء. ولكن التجمد، المقياس الأول، يكون عند درجة 273.16، والغليان عند درجة 373.16 (الشكل الرقم 92) . ويكونان، في الثاني، على التوالي الدرجتَين: الصفر والمائة. لذا، فالعلاقة بين المقياسَين، يعبَّر عنها، ببساطة، بإضافة 273.16، أو طرحها، من الدرجة، عند المعادلة، كما يلي: للتحويل من كالفن إلى المئوي:
وللتحويل من المئوي إلى كالفن:
ج- معادلة درجة المقياس الفهرنهايتي بدرجة مقياس كالفن
إن معادلة درجة مقياس كالفن بدرجة المقياس الفهرنهايتي، تمر، عادة، عبْر المقياس المئوي. ونظراً إلى أن طول الوحدات متساوٍ في المقياسَين: المئوي وكالفن، فإن المعامل 1.8 يجب أخذه في الحسبان، لأن الفارق بين درجة ذوبان الثلج ودرجة غليان الماء، في مقياس كالفن، هو 100 درجة؛ و180 درجة، في المقياس الفهرنهايتي، فكل درجة بمقياس كالفن تساوي 1.8 درجة في القياس الفهرنهايتي. ولمعادلة درجات مقياس كالفن بتلك الفهرنهايتية، تستخدم المعادلة التالية:
وللتحويل من الدرجات الفهرنهايتية إلى مقاس كالفن، تستخدم المعادلة التالية:
4- آلية انتقال الحرارة تنتقل الحرارة من جسم إلى آخر، أو من مادة إلى أخرى، بطرائق ثلاث: التوصيل (أو الملامسة)، والحمل (أو الاختلاط)، والإشعاع.
أ- التوصيل Conduction
وانتقال الطاقة بطريقة التوصيل Conduction، مألوف لدى معظم الناس. فالقضيب المعدني، الذي طرفه في النار، سيسخن طرفه الآخر، بالتوصيل. والملعقة المعدنية، في القدر، يسخن مقبضها، بالتوصيل. والجدار الذي تسقط عليه أشعة الشمس، من الخارج، يسخن جانبه الداخلي، بالتوصيل. التوصيل، إذاً، هو انتقال الحرارة من جزيء إلى جزيء في المادة؛ فانتقال النشاط الجزيئي في المادة، بين الجزيئات المتجاورة، يؤدي سريان الحرارة من طرف القضيب المعدني المعرض للهب إلى الطرف الآخر. ويكون سريان الحرارة دائماً من الطرف أو الجزء الدافئ، الأعلى حرارة، إلى الجزء الأبرد.
قدرة المواد على التوصيل الحراري، تختلف اختلافاً بيناً؛ فالمعادن، مثلاً، تعَد موصلات جيدة للحرارة؛ والهواء، موصل رديء جداً للحرارة. ويعتمد التوصيل الحراري، في المواد، على بناء جزيئاتها وترابطها (الجدول الرقم 20). المواد الصلبة، كالمعادن، موصلات جيدة للحرارة؛ ولكن، قد يصعب الحكم على حرارة المعدن. فمثلاً، ملامسة صنبور ماء، معدني، بدرجة حرارة الغرفة، تعطي شعوراً بأنه أبرد كثيراً مما هو في الواقع. والسبب أن توصيل المعدن العالي للحرارة، يجعل جزيئاته، تنقل الحرارة إليه من أصابع اليد، بسرعة، مما يعطي شعوراً بالبرودة.
ولأن الهواء موصل رديء جداً للحرارة، فإن التوصيل الحراري لأي مادة، ينخفض بمقدار ما تحويه من فراغات وفقاقيع هوائية. وبسبب الانخفاض الشديد للتوصيل الحراري للهواء (الجدول الرقم 20)، فإن حرارة سطح الأرض، تُسَخِّن الطبقة الرقيقة فقط من الهواء (بضعة سنتيمترات)، الملامسة لسطح الأرض، بالتوصيل. التوصيل الحراري، بصفته آلية من آليات انتقال الحرارة، هو أقلّها فاعلية، بالنسبة إلى الغلاف الغازي. لذا، لا يعار اهتماماً كبيراً، في غالب الأحوال، عند المتابعة المتيورولوجية لظاهرات الغلاف الغازي.
ب- الحمل
كثير من عمليات نقل الحرارة، التي تحدث في الغلاف الغازي، تحدث بطريقة الحمل Convection. وتعرَّف هذه الآلية بأنها انتقال الحرارة بتحرك الكتلة، أو بالدورات الداخلية للمادة. لذا، فهذه الطريقة، تحدث في الموائع فقط (وهذه تشمل السوائل، مثل مياه المحيطات؛ وتشمل الغازات، مثل الهواء)؛ وذلك لأن الموائع حرة الحركة، ومن السهل أن يحدث فيها تيارات حمل، تنقل الحرارة.
ويوضح المقصود بهذه الآلية، (الشكل الرقم 93) ، حيث إناء فيه ماء، يغلي على النار. تنتقل الحرارة، في البداية، من النار إلى قاع القدر (بالإشعاع)، ومنه تنتقل إلى الماء، الذي يلامسه (بالتوصيل). ومع ارتفاع حرارة الماء، في قاع القدر، يبدأ بالتمدد، وتنخفض كثافته، لتصبح أقلّ من كثافة الماء الأبرد منه، في أعلى القدر. وذلك يدفع الماء من القاع إلى أعلى، في تيارات حمل؛ ويندفع ماء أقلّ حرارة، من أعلى القدر إلى الأسفل (لأنه أثقل)، ليسخن ثم يعود إلى الأعلى. وما دام تسخين الماء غير متساوٍ، ومصدر الحرارة من الأسفل فقط، فإن الماء سيستمر في الدوران، مكوناً ما يسمى دورة الحمل Convective Circulation. ومعظم الطاقة، التي تكتسبها غازات الغلاف الغازي، في الطبقة السفلى، القريبة من سطح الأرض، سواء التي تصل إليها بالإشعاع، أو تلك التي تكتسبها بالتوصيل الحراري من سطح الأرض ـ تنتقل بالحمل.
فالحمل، إذاً، يحدث طبيعياً في الغلاف الغازي؛ ففي يوم مشمس، دافئ، تكتسب بقع من سطح اليابس حرارة أكثر من الأجزاء المجاورة. ونتيجة لذلك، فإن الهواء الملامس لسطح الأرض، يسخن بشكل غير متساوٍ؛ إذ تكتسب جزيئاته، الملامسة لتلك البقع الأكثر سخونة، حرارة أكثر بالتوصيل الحراري. فيتمدد الهواء الساخن، ويصبح أقلّ كثافة من الهواء المحيط به، فيرتفع إلى الأعلى، ويحل محله هواء أبرد منه، من الجانبَين. وبهذه الطريقة، تتحرك فقاقيع كبيرة من الهواء الساخن إلى الأعلى حاملة معها الحرارة، بل الرطوبة كذلك. ولا يلبث الهواء البديل أن يسخن، فيتحرك إلى الأعلى.... وهكذا.
في المتيورولوجيا، يطلق على عملية الانتقال الرأسي للحرارة، بهذه الطريقة، الحمل Convection؛ وعلى الفقاقيع الهوائية الصاعدة، الحراريات Thermals. ولكن الهواء، يمكن أن يتحرك أفقياً أو رأسياً، فيحدث نقل أفقي أو رأسي للحرارة. ويطلق على التحرك الأفقي التأفق Advection، والتسمية الشائعة له الريح Wind.
وعلى المستوى العالمي، تتسبب تيارات الحمل بدورات هوائية كبيرة، حول العالم؛ هي المسؤولة عن إعادة توزيع الحرارة، بين الأقاليم الاستوائية والمدارية الحارة، وتلك القطبية المتجمدة.
ويستخدم طيارو الطيارات الشراعية، الفقاعات الهوائية الصاعدة (الحراريات)، للتحليق عالياً في الفضاء، ويظل الطيار ينتقل من فقاعة إلى أخرى. وإذا كان الهواء في الحراريات الصاعدة رطباً، فإنه يؤدي تكوّن السحب الركامية Cumulus Clouds. وبما أن تكوّن هذا النوع من السحب، مرتبط بالهواء الصاعد والهابط، فإن الطيارين، يفضلون دائماً التحليق فوقها، على المرور من تحتها، من أجل راحة الركاب، وخاصة في الطائرات الصغيرة.
hideAllMenu();
if (document.all)
{document.write("<div ID=tips >");}
else if (document.layers)
{document.write("");}
موضوع: ملخص جميل جدا عن منهجنا فى الحرارة 
الجمعة أكتوبر 01, 2010 8:14 pm
