الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة

(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[1] كيلومتراً، في الساعة.

ولكن، ما الذي يحدث لمتوسط سرعة جزيئات الأكسجين، لو ارتفعت درجة الحرارة؟ عند درجة حرارة 30ْمئوية، سيكون متوسط سرعتها 1750 كيلومتراً، في الساعة؛ وعندما تصل درجة الحرارة إلى 100ْ مئوية، يرتفع إلى 1941 كيلومتراً، في الساعة. إذاً، كلما ارتفعت درجة الحرارة، ازداد متوسط سرعة الجزيئات. وحركة الجزيئات، تعبّر عن الطاقة الحركية[2] 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 (انظر شكل تغير درجة الحرارة)؛ 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 (انظر شكل انخفاض كثافة الهواء). 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 30ْ إلى 35ْ 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 30ْ إلى 31ْ درجة مئوية. وفي المقابل، يلزم التخلص من خمسة سعرات حرارية، لخفض درجة حرارة جرام واحد من الماء، من 35ْ إلى 30ْ درجة مئوية، مثلاً؛ أو لخفض درجة حرارة خمسة جرامات من الماء، من 35ْ إلى 34ْ 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 [3]. وكذلك لو غُمس ثرمومتر في قالب من الثلج، درجة حرارته –20ْم 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 (انظر شكل كمية الطاقة).

يتمثل في (شكل كمية الطاقة) جرام واحد من الثلج، درجة حرارته -40ْ مئوية؛ سُلِّط عليه مقدار مقنن من الحرارة. يلاحظ أن إضافة عشرين سعراً حرارياً رفعت درجة حرارته من –40ْم، إلى درجة صفر مئوي. وذلك ناتج من أن السعة الحرارية[4] 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 –40ْ 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 100ْم، 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 100ْم. ويحتاج جرام الماء، في هذه الحالات، إلى 600 سعر حراري، للتحول إلى بخار. وتنطلق هذه الحرارة الكامنة عند تكاثفه، مرة أخرى.

[1] حسب هذا المتوسط على أساس حدود الفئة العليا من 2670-4500.

[2] الطاقة الحركية: خلاف الطاقة الكامنة، ويكتسبها الجسم نتيجة لحركة كتلته. وهي أيضاً مقياس لمقدار العمل الذي يمكن أن يؤديه الجسم المتحرك.

[3] الحرارة الكامنة: هي إجمالي الطاقة المستهلكة في، أو الناتجة عن تغير الحالة (الإذابة، التبخر) دون تغير في درجة الحرارة.

[4] السعة الحرارية للمادة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة.