ماذا تعرفون عن درجة الحرارة؟
ما هو مريح اكثر من الاغتسال بالدش او الاستحمام بماء دافئ في يوم قارس؟ ولكن اذا كان الماء ساخنا جدا او باردا جدا، فقد تشعرون بالانزعاج وتصرفون وقتا قليلا قدر الامكان في الاستحمام. فماذا يجعل من الاغتسال بالدش او الاستحمام اختبارا سارا بدلا من ان يكون صدمة؟ طبعا، انه درجة حرارة الماء.
ان درجة حرارة الهواء خارجا هي ايضا اهتمام يومي. فمعرفة درجة الحرارة تساعدنا على تقرير كيفية اللبس وكيفية التخطيط ليومنا. وبما ان معرفة درجة الحرارة مفيدة الى هذا الحد، فغالبا ما تعرضها البنايات العامة الى جانب الوقت.
ولكن، اذ يتوقف الامر على المكان الذي تعيشون فيه، قد يعكس الرقم المعروض احوالا مختلفة تماما. على سبيل المثال، لماذا الاشارة الى ٤٠ درجة في الولايات المتحدة تتطلب ارتداء معطف، في حين ان الاشارة الى ٤٠ درجة في اوروپا تتطلب ملابس من اخف ما يمكن؟
سلالم درجات الحرارة
على نحو بسيط جدا، حيث يجري استعمال سلَّم فهرنهايت، كما في الولايات المتحدة، فان الدرجة ٤٠ هي درجة باردة، ليس اعلى بكثير من نقطة تجمّد الماء. أما في اوروپا، حيث يجري استعمال سلَّم سلزيوس عادة، فان الدرجة ٤٠ تدل على درجة حرارة ساخنة على نحو شديد. وفي هذه المقالة سنتأمل فقط في هذين السلَّمين اللذين يستعملهما الشعب العام. فمن اين اتى سلَّما درجات الحرارة فهرنهايت وسلزيوس؟
في سنة ١٧١٤ استعمل ڠابرييل دانيال فهرنهايت، فيزيائي ألماني، محرارا زئبقيا لابتكار سلَّم لدرجات الحرارة. فعيَّن ثلاث نقاط ثابتة. وأراد ان تكون نقطة الصفر في سلَّمه منخفضة قدر الامكان. لذلك مزج ثلجا، ماء، ونوعا من الملح، فهبطت درجة حرارة المزيج الى النقطة الاكثر انخفاضا التي تمكَّن من الحصول عليها في ذلك الحين. وصارت درجة الحرارة تلك درجة الصفر في سلَّمه. وبعد ذلك، اختار فهرنهايت درجة الحرارة لجسم بشري سليم بصفتها النقطة العليا في سلَّمه. وحدَّد درجة الحرارة هذه بـ ٩٦ درجة. (ولكن، منذ ذلك الحين وُجد ان درجة حرارة الجسم لانسان معافى اعلى بنحو ٢⁄١ ٢ درجة مما حدَّده على نحو تقديري.) ومن اجل الحصول على النقطة الثابتة الثالثة، قاس نقطة تجمُّد الماء ووجد انها ٣٢ درجة. ولاحقا، طُبِّق السلَّم على نقطة غليان الماء. وتبيَّن ان درجة الحرارة عند سطح البحر هي ٢١٢ درجة، واقترحها فهرنهايت لاحقا بصفتها النقطة العليا في سلَّمه الجديد.
كان آندرز سلزيوس، عالم فلك سويدي عاش من سنة ١٧٠١ الى ١٧٤٤، معاصرا لڠابرييل فهرنهايت. وفي سنة ١٧٤٢ ابتكر سلزيوس سلَّما لدرجات الحرارة تُحدَّد هويته ايضا باسم مخترعه. والسلَّم مؤسَّس على نقطتين ثابتتين: الدرجة صفر هي نقطة تجمُّد الماء، والدرجة ١٠٠ هي نقطة غليان الماء عند سطح البحر. وبما ان سلزيوس قسَّم محراره الى ١٠٠ جزء متساوٍ، فهو معروف ايضا بالسلَّم المئوي لدرجات الحرارة. ويُستعمل سلَّم سلزيوس حيثما صارت الوحدات المترية مقبولة.
بما ان سلَّمَي فهرنهايت وسلزيوس على السواء مستعملان عموما اليوم، فغالبا ما يكون ضروريا التحويل من الواحد الى الآخر. وكيف يجري ذلك؟ حسنا، لاحظوا ان الفرق بين نقطة الغليان ونقطة تجمُّد الماء في سلَّم فهرنهايت هو ١٨٠ درجة (٢١٢ درجة ناقص ٣٢ درجة). أما في سلَّم سلزيوس فهو ١٠٠ درجة. ولذلك فان النسبة بين السلَّمين هي ١٠٠⁄١٨٠، او ٥⁄٩.
وهكذا، من اجل التغيير من فهرنهايت الى سلزيوس، اطرحوا اولا ٣٢ من درجة الحرارة فهرنهايت. وبعد ذلك اضربوا الفرق في ٩⁄٥. على سبيل المثال، لنفرض ان درجة الحرارة فهرنهايت هي ١٠٤ درجات شديدة الحر. فمن اجل التوصل الى درجة الحرارة سلزيوس، اطرحوا ٣٢ من ١٠٤، مما يعطي ٧٢. وبعد ذلك اضربوا ٧٢ في ٩⁄٥. فتكون النتيجة ٤٠، التي هي درجة الحرارة سلزيوس. حقا، ان الدرجة ٤٠ سلزيوس هي شديدة الحر!
ومن جهة اخرى، من اجل التغيير من سلزيوس الى فهرنهايت، تحتاجون الى ضرب درجات الحرارة سلزيوس في ٥⁄٩ ثم بعد ذلك اضافة ٣٢. وهكذا، على سبيل المثال، لنفرض ان درجة الحرارة هي ٢٠ درجة سلزيوس. فماذا تساوي هذه في سلَّم فهرنهايت؟ اضربوا ٢٠ في ٥⁄٩، تحصلوا على ٣٦. وباضافة ٣٢ الى ٣٦، تتوصلون الى درجة الحرارة فهرنهايت وهي ٦٨ درجة.
ما هي درجة الحرارة؟
درجة الحرارة هي مقياس للسخونة والبرودة. ولكن ماذا يجعل المادة ساخنة او باردة؟ اذا كان بامكانكم ان تحدِّقوا الى البنية الجُزَيْئية والذرِّية للمواد فيما تسخن، ترون تغييرات مختلفة تحدث. تأملوا في وعاء من الماء يُسخَّن على موقد.
تتحرك جُزَيْئات الماء بسرعة اكثر فأكثر. فيغلي الماء بعد وقت قليل. ويحدث ذلك عندما تتحرك جُزَيْئات الماء بسرعة كبيرة بحيث يرتدّ احدها عن الآخر ولا تعود تلتصق معا في شكل سائل. وفي الواقع، يبدأ الماء بالتغيُّر الى غاز نراه كبخار.
تتشكل فقاقيع الغاز اولا في قعر الوعاء، لان درجة الحرارة هناك هي الاعلى. وعلى الرغم من ان الحرارة تضاف باستمرار خلال هذا التحوُّل للماء الى بخار، فان درجة الحرارة لا تتغير. ويكون ذلك لانه تلزم طاقة لتحرير الجُزَيْئات من الحالة السائلة ونقلها الى الحالة الغازية. وتزوِّد الحرارة المضافة هذه الطاقة. وهكذا بدلا من جعل الماء ساخنا اكثر، فانها تجعل جُزَيْئات اكثر من الماء تتغير الى الحالة الغازية.
تتحرك جُزَيْئات الماء في الحالة الغازية بسرعة اكثر فاكثر، اذ تهتزّ وتبدِّل موضعها بازدياد درجات الحرارة. واذا ارتفعت درجة حرارة البخار عاليا جدا، لنفرض الى عشرات او مئات ملايين الدرجات، تُنزع حتى الالكترونات عن الذرّات. وعند درجات حرارة عالية كهذه، فان النوى، الاجزاء المركزية البالغة الصغر في وسط الذرات، ترتطم احداها بالاخرى على نحو عنيف جدا بحيث يمكن ان تحدث تفاعلات نووية. وفي الواقع، هذه هي الفكرة وراء هدف استعمال الاندماج النووي لتوليد الطاقة.
مدى تفاوت درجات الحرارة
بقدر ما هو معروف، ليس لدرجة الحرارة حد اعلى. ومن جهة اخرى، يبدو ان لها حدا ادنى. فقد جرى تحديد الصفر المطلق بـ −٦٧,٤٥٩ درجة فهرنهايت، او −١٥,٢٧٣ درجة سلزيوس. وهذه هي النقطة التي عندها يكون لجُزَيْئات وذرات المادة اقل ما يمكن من الطاقة.
ولسطح الكوكب السيار پلوتو درجة حرارة تقديرية تبلغ حوالي −٣٥٠ درجة فهرنهايت، او −٢١٠ درجة سلزيوس. وفي سنة ١٩٦٥ علم علماء الفلك ان لظلمة الفضاء الخارجي درجة حرارة تبلغ حوالي −٤٥٧ درجة فهرنهايت، او −٢٧٠ درجة سلزيوس، ٣ درجات فقط اعلى من الصفر المطلق في سلَّم سلزيوس. وفي اتجاه الحد الاقصى الآخر، يُعتقد ان مركز الشمس يبلغ ١٥ مليون درجة سلزيوس تقريبا. لكنّ النجوم الاكبر من الشمس — وهنالك نجوم اكبر بآلاف المرات — لها على الارجح درجات حرارة اعلى بكثير.
وماذا عن مدى تفاوت درجات الحرارة هنا على الارض؟ انه يتقلَّب في مدى تفاوت ضيِّق نسبيا. ففي القارة القطبية الجنوبية جرى قياس درجة حرارة تبلغ −٦,١٢٨ درجة فهرنهايت، او −٢,٨٩ درجة سلزيوس، في ٢١ تموز ١٩٨٣. وجرى تسجيل درجة حرارة قياسية عالية تبلغ ١٣٦ درجة فهرنهايت، او ٥٨ درجة سلزيوس، في العزيزية، طرابلس الغرب، في افريقيا الشمالية في ١٣ ايلول ١٩٢٢. لكنّ الاغلبية العظمى من البشر لم يختبروا درجات حرارة تقترب ايضا من هذه الحدود القصوى. ويمكننا ان نكون شاكرين لخالقنا، يهوه اللّٰه، على ان مدى تفاوت درجات الحرارة على الارض يبقى ضمن حدود ضيِّقة نسبيا. ونتيجة لذلك، يمكن التمتع بالحياة على الارض.
[الرسم في الصفحة ١٣]
(اطلب النص في شكله المنسَّق في المطبوعة)
فهرنهايت سلزيوس
٢١٢ ١٠٠ الماء يغلي عند الضغط الجوي لسطح البحر
٦,٩٨ ٣٧ درجة حرارة الجسم الطبيعي
٣٢ ٠ الماء يتجمد
−٤٠ −٤٠ النقطة التي تكون فيها درجات سلزيوس مثل درجات فهرنهايت
−٤٦٠ −٢٧٣ الصفر المطلق