الترمومترات ومقييس درجة الحرارة

مقدمة

نشعر فى حياتنا اليومية بتقلبات الجو من البرودة والحرارة ونتعامل مع الحرارة لأغراض مختلفة مثل الطهى والتدفئة والتبريد. ولأن الفيزياء على يهدف إلى إكتشاف وفهم القوانين التى تحكم الكون فكان يجب التعرف على ماهية الحرارة وطبيعتها.



لقد سادت لفترة طويلة أن الحرارة عبارة عن سائل خفى لا وزن له يطلق عليها اسم كالوريك ( Caloric ) وحسب هذه النظرية فإن الإجسام الساخنة تحتوى على كمية كبيرة من الكالوريك.



على سبيل المثال الخشب يحتوى على نسبة كبيرة من الكالوريك عند إحتراقة تنتقل إلى اللهب ومن ثم إلى الوعاء الموجود فوق اللهب وأخيرا ينتقل الكالوريك إلى الماء الموجود فى الوعاء ميما يؤدى إلى تسخينه.

فى أواخر القرن الثامن عشر الميلادى ظهرت ملاحظتان هامتان هددت مفهوم نظرية الكالوريك:-

الملاحظة الأولى كانت على يد الخبير الأمريكى فى الأسلحة الكونت رمورد Count Remford حيث لاحظ عند عمل ثقب فى مواسير المدافع ينتج عن ذلك حرارة تكفى لغليان كمية من الماء وذلك أثناء دوران المثقاب وكلما إستمر الدوران إستمرت الحرارة هذا جعل الكونت يتسأل هل من المعقول أن سائل الكالوريك الموجود فى المثقاب لا ينفذ أبداً.

الملاحظة الثانية حول مفهوم الحرارة كانت على يد همفرى دافى Hamphry Davey عندما أجرى تجربة بسيطة توكر إرتباط الحرارة بالحركة عندما قام بحك قطعتين من الثلج بطريقة ميكانيكية فنتج عن ذلك زوبان بعض الثلج.

وهذه التجربة أكدت ما قاله الكونت "أن الحرارة عبارة عن حركة وليست مادة"

وجاء بعد ذلك العالم الفيزيائى الشهير وقام بمجموعة من التجارب أكدت على مفهوم إرتباط الحرارة بالحركة. وكانت التجارب تهدف إلى تحويل الشغل إلى حرارة. فمثلا قام بقياس الحرارة المتولدة فى الماء والزئبق ع تحريك بعض العجلات المغمورة فى كل منهما وتسخين الهواء بواسطة الضغط عليه.

والنتيجة الهامة التى توصل إليها هى :-

" أن كمية ثابتة من الشغل المبذول ينتج عنها دائما كمية ثابتة من الحرارة " وتمكن من تحديد قيمة هذا الثابت وهو أن كل مقدار من الشغل قدره 4.18 J ينتج عنه كمية من الحرارة مقدارها سعر حرارى واحد.

وفى ضوء تطور علم الفيزياء الذرية أصبح مفهوم الحرارة واضح وأتضح أن الحرارة هى ليست إلا الحركة العشوائية لجزيئات وذرات المادة سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية . وأصبحت الحرارة أحد مصادر الطاقة وهو الطاقة الحرارية.



درجة الحرارة وقياسها

إننا نستطيع بحاسة اللمس أن نحدد ما إذا كان الجسم حار أو بارد إلا أن تحديد مستوى الحرارة والبرودة سوف يكون أمر نسبيا يتفاوت من شخص إلى آخر وقد يتفاوت مع الشخص الواحد حسب ظروفة الصحية أو النفسية.

جزيئات المادة فى حالة حركة دائمة وكلما زادت حرارة المادة زادت الطاقة الحركية للجزيئات وزادت سرعتها . والطاقة الحرارية تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم البارد.



درجة الحرارة

هى مقياس لمتوسط الطاقة الحركية التى يمتلكها كل جزىء فى المادة .



كمية الحرارة

هى إجمالى الطاقة الحركية للجزيئات الموجودة داخل المادة.



إذا تلامس جسم ساخن مع جسم بارد فإنه بعد فترة من إنتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد تصبح مستوى السخونة لكل منهما واحد وهذا يقودنا إلى ما يعرف بالقانون الصفرى فى الديناميكا الحرارية الذى ينص على :-

" إذا كان الجسم (أ) فى حالة إتزان حرارى مع الجسم (ب) وكان الجسم (جـ ) فى حالة إتزان حرارى مع الجسم (ب) فإن هذا يعنى أن الجسم (أ) فى حالة إتزان حرارى مع الجسم (جـ).

النقطة الثابتة العليا

النقطة الثابتة السفلى

الفترة الأساسية

مقاييس درجة الحرارة

"وهى مدى من الأرقام يستخدم للتعبير عن مستويات من السخونة" وتتفق جميع مقاييس الحرارة على ثلاث نقاط أساسية وهى :-

(1) النقطة الثابتة العليا ( درجة غليان الماء)

(2) النقطة الثابتة السفلى ( درجة إنصهار الثلج تحت الضغط القياسى)

(3) الفترة الأساسية ( المدى بين النقطتين الثابتتين العليا والسفلى)



(1) المقياس المئوى

وهو الأكثر شيوعا فى العالم وتقسم فيه الفترة الأساسية من صفر إلى مائة وتسمى كل جزء بإسم درجة مئوية ويطلق عليه اسم مقياس سلسيوس نسبة إلى العالم السويدى أندرز سلسيوس Andres Celsius .

(2) المقياس الفهرنهيتى

وتقسم فيه الفترة الأساسية إلى 180 جزء متساوى يطلق على كل جزء اسم فهرنهيتية ويبدأ التدريج من 32 حيث إعتبرها درجة إنصهار الثلج وينتهى بـ 212 حيث إعتبرها درجة غليان الماء .

والعلاقة بين المقياس المئوى والمقياس الفهرنهيتى يعطى من العلاقة الأتية


(3)

المقياس المئوى

0

273

273

100

-273

0

المقياس المطلق

المقياس المطلق

يتفق هذا المقياس مع المقياس المئوى من حيث مقدار كل جزء من أجزاء التقسيم ويختلف من حيث موقع الصفر المطلق كما هو مبين بالرسم.

ويطلق عليه أحيانا مقياس كلفن Kelvin scale والمعادلة التى تحكم العلاقة بين المقياس المطلق والمقياس المئوى تعطى بالعلاقة الأتية:





الترمومترات

ويستخدم فيها الخواص الفيزيائية للمادة التى تتغير بشكل ملحوظ ومتكرر وقابل للقياس مع تغير درجة الحرارة . ومن هذه الظواهر:-

(1) حجم السائل

(2) طول الساق المعدنية

(3) المقاومة الكهربية

(4) ضغط الغاز عند ثبوت الحجم

(5) حجم الغاز عند ثبوت الضغط



ولإستنتاج العلاقة الرياضية لمقاييس الحرارة نفرض أن الخاصية x تتغير خطيا مع درجة الحرارة


حيث أن A فى المعادلة رقم (1) ثابت و t هى درجة الحرارة.

نفرض أن :-

X_L قيم الخاصية عند الدرجة الثابتة السفلى

X_U قيم الخاصية عند الدرجة الثابتة العليا

X_t قيم الخاصية عند درجة الحرارة t


حيث

T_L الدرجة الثابتة السفلى

T_U الدرجة الثابتة العليا

المعادلة رقم (2) يمكن كتابتها للمقياس المئوى فتصبح على الصورة الأتية


حيث t_c هى درجة الحرارة على المقياس المئوى وتعطى بالعلاقة


أما بالنسبة للمقياس الفهرنهيتى فإن المعادلة (2) تصبح على الشكل التالى



وعلى المقياس المطلق تصبح المعادلة (2) على الشكل التالى



وتصبح العلاقة بين المقاييس الثلاثة كالتالى


الترمومتر الزئبقى

وهو يتكون من بوصيلة من الزجاج موصله بأنبوبة شعرية مفرغة من الهواء حتى لا يعوق الهواء تمدد السائل. ويحيط بالبوصيلة أيضا أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء وذلك من أجل العزل الحرارى ولحماية الأنبوبة الشعرية الداخلية من الكسر.

تملىء البوصيلة بسائل الزئبق فإذا أرتفعت درجة الحرارة تمدد الزئبق داخل الأنبوبة الشعرية ويكون مقدار هذا التمدد هو مقياسا لدرجة الحرارة.

بوصيلة من الزجاج

بوصيلة من الزجاج

أنبوبة شعرية

أنبوبة زجاجية مفرغة من الهواء

التدريج الأساسى

ويتم تحديد النقطة الثابتة السفلى بوضع الترمومتر فى ثلج نقى منصهر عند الضغط الجوى العيارى. والنقطة الثابتة العليا يوضع الترمومتر فى ماء نقى يغلى عند الضغط الجوى العيارى وبمعرفة مكان النقطة الثابتة السفلى والعليا نقوم بتقسيم المدى بينهم إلى مائة جزء فى المقياس المئوى أو إلى 180 جزء فى المقياس الفهرنهيتى.

























الترمومتر الطبى

هو نفس الترمومتر الزئبقى ولكن نكتفى بمدى صغير من الفترة الأساسية فبدلا من أن يكون فيه النقطة الثابتة السفلى صفر تكون مثلا 35 والنقطة الثابتة العليا بدلا من أن تكون 100 تكون 43 .



ترمومتر الإزدواج الحرارى

عندما يتم توصيل سلكين من معدنين مختلفين ببعضهما كما بالرسم ويكون درجة الحرارة مختلفة عند الأطراف فإن تيارا كهربيا يسرى داخل الدائرة ويزداد شدة التيار الكهربى كلما زاد الفرق بين درجة الحرارة بين الطرفيين .

ولذلك يمكن إستخدام خاصية القوة الدافعة الكهربية الناتجة عن فرق درجة الحرارة بين الطرفيين كخاصية لقياس درجة الحرارة.

T1

T2

سلك A

سلك B

أميتر

فى التطبيقات العملية للإزدواج الحرارى يتم وضع أحد الأطراف فى ثلج والطرف الأخر يوم متصلا بالجسم المراد قياس درجة حرارته.



















ملحوظة

· لقياس درجة حرارة فى المدى 220 إلى 300 نستخدم سلك من النحاس والسلك الآخر من سبيكة من النحاس والنيكل.

· لقياس درجة حرارة فى المدى أكبر من 1600 نستخدم سلك من البلاتين والسلك الآخر من سبيكة من البلاتين والروديوم.

· لقياس درجة حرارة فى المدى -220 إلى -270 نستخدم سلك من الكروميل والسلك الآخر من سبيكة من الحديد والذهب.





انظرى الرابط التالى


المحاضرة الأولى الحرارة.doc - Home - KSU Faculty Member websites

مشكــــــــــــــــور استاذ اشرف وانشاءالله نستفيدو منا...

بارك اله فيك (بن خيال)

منور يا خالي ^__^

من ورانا منتديات و جو باه به