الترمومترات ومقاييس درجة الحرارة

درجة الحرارة واحدة من الأبعاد الأساسية السبع في الفيزياء. وبالرغم من أننا نعطي التعريف الرسمي الصارم لدرجة الحرارة، فإنه يمكننا أن نقوم بمنتهي البساطة هنا أن درجة الحرارة مقياس" لسخونة" او " برودة " أي جسم. والدليل المألوف على أن ضغط الغاز يعتمد على درجة الحرارة هو أن ضغط الهواء في إطارات السيارة الساخنة يكون أكبر من قيمته في الإطارات الباردة. كذلك فإن درجة الحرارة تؤثر على حياتنا بطرق عديدة أخرى. فنحن نعتمد مثلاً على القياسات الدقيقة لدرجة حرارة الجو في اختيار ملابسنا صيفاً أو شتاء وكذلك في تدفئة أو تبريد مساكننا بما يتناسب مع درجة الجو المعلنة في تقارير الطقس. وتسمى الأجهزة المستخدمة لقياس درجة الحرارة بالترمومترات. هذه الاجهزة كثيرة ومتنوعة، كما يمكن معايرتها طبقاً لمقاييس درجة الحرارة المختلفة.

الشكل (1): يمكن استخدام نقطتي غليان وتجمد الماء لإيضاح العلاقة المتبادلة بين مقاييس درجة الحرارة المتعامدة الثلاثة.

يمثل الشكل ((1 اكثر انواع الترمومترات استعمالاً وانتشارا. ويتركب هذا الجهاز أساساً من أنبوبة شعرية زجاجية مغلقة يتصل أحد طرفيها ببصيلة عمل كخزان لسائل ترمومتري كالزئبق أو الكحول. وحيث أن هذه السوائل تتمدد بزيادة درجة الحرارة فإن مستوى السائل في الانبوبة الشعرية سوف يرتفع درجة الحرارة. ( يتمدد الزجاج أيضاً عندما ترتفع درجة الحرارة، ولكن بدرجة أقل كثيراً من السائل).

ويقسم الترمومتر بعلامات إلى أقسام بالطريقة الآتية:

تعلم على الترمومتر نقطتان مرجعيتان . النقطة الأولى تمثل موضع مستوى سطح السائل في الانبوبة الشعرية عندما يكون الترمومتر في درجة حرارة خليط من الثلج والماء في حالة الاتزان عند الضغط الجوي القياسي ؛ وهذا هو مستوى التجمد في الشكل (1). اما النقطة المرجعية الثانية فهي موضع مستوى سطح السائل في الانبوبة الشعرية عندما يكون الترمومتر في نقطة غليان الماء ( تحت الضغط الجوي القياسي)؛ وهذا هو مستوى الغليان في الشكل.

المقياسان (او التدريجان) المستخدمان غالباً في الحياة اليومية بالولاية المتحدة لقياس درجة الحرارة هما مقياساً سلزيوس وفهرنهيت. اما مقياس سلزيوس الذي اقترحه العالم السويدي أنديرس سلزيوس عام 1742) فإنه يضع نقطة تجمد الماء التقي عند 0^oC ( درجة سليزية) ونقطة الغليان عند 100^oC مع ملاحظة أن هاتين الظاهرتين مقاستان عند الضغط الجوس القياسي. ومن ثم يوجد بين النقطتين المرجعيتين مائة درجة، ولهذا يسمى هذا المقياس أحياناً بالمقياس المئوية. وقد سبق للفيزيائي الألماني جابرييل فهرنهيت أن اقترح نوعاً من المقاييس المئوية، إذ اعتبر أن 0^oF تناظر تجمد الماء المالح وأن 100^oF تمثل درجة حرارة الجسم البشري؛

والحقيقة أن درجة حرارة الجسم البشري هي 98.6^oF. ويلاحظ أن نقطتي تحمد وغليان الماء النقي على هذا المقياس على هذا المقياس هما 32^oF و212^oF على الترتيب. وعليه فإن 180 درجة فهرنهيتية و100  درجة سيليزية تغطى نفس المدى من درجات الحرارة، ومن ثم فإن العلاقة بين مقدار (حجم) الدرجتين الفهرنهيتية والسيليزية هي 1^o F = 100/180 = 5/9^oC. لاحظ ان الصيغة الأخيرة تمثل مدى معينا من درجات الحرارة، بينما يعني الرمزان ^oF و^oC قراءة معينة لدرجات الحرارة.

المقياس الثالث لدرجات الحرارة هو مقياس كلفن او المقياس المطلق، وهو مقياس ذو أهمية عظمى يستخدم أساساً في المجال العلمي. ووحدة درجة الحرارة على هذا المقياس في النظام SI هي الوحدة الأساسية وتسمى كلفن (K). ويلاحظ هنا أن حجم درجة الحرارة الواحدة متساو على مقياس سلزيوس وكلفن، فإذا تغيرت رجة بمقدار واحد كلفن ( لا يقال درجة كلفن) فإن هذا يعني تغيرها بمقدار 1^oC ومن الجدير بالذكر ان نقطتي تحمد وغلينا الماء على هذا المقياس هما 273.15K و 373.15K على الترتيب. وهذا وسوف نرى هنا لماذا يعتبر مقياس كلفن مقياساً ذا أهمية علمية أساسية.

هذه التعريفات التاريخية لمقاييس درجة الحرارة لم تعد سارية في الوقت الحاضر. ومع ذلك فغن اختيار التعريفات الجديدة ثد تم بحيث تظل هذه المقاييس كما هي اساساً طبقاً للتعريفات الأصلية. ويمكننا أن نرى من الشكل 1)) أن هناك علاقة بسيطة بين درجة الحرارة السيليزية T_C ودرجة الحرارة المطلقة ( الكلفنية) T:

T = T_c + 273.15 

يمكن تحويل قراءات درجة الحرارة على المقياس باستخدام المعادلتين:

نحن نستعمل الترمومترات بشكل روتيني في حياتنا اليومية. ومع ذلك فإن هناك قانوناً أساسياً متعلقاً بها ربما لم نلاحظه حتى الآن. فعندما نضع الترمومتر في حالة تلامس حميم مع جسم فإنه سرعان ما يصل إلى قراءة مستقرة تسمى درجة حرارة الجسم، ويقال عندئذ أن الجسم والترمومتر في حالة اتزان حراري أحدهما مع الآخر. وإذا وضع هذا الجسم في حالة تلامس مع جسم آخر ذي درجة حرارة أعلى سوف تتغير درجتا حرارة الجسمين باستمرار إلى أن يصل الحسمان في نهاية الأمر إلى حالة اتزان حراري عند درجة حرارة الجسمين باستمرار إلى أن يصل الجسمان في نهاية الامر إلى حالة اتزان حراري عند درجة حرارة وسطية أخرى، ويقال في هذه الحالة أن الحرارة تنتقل من الجسم الأكثر سخونة إلى السجم الأكثر برودة. هذه حقائق معلومية لنا جيداً ، ولكن لنتأمل التجربة الهامة الآتية.

لنفرض أن ترمومتراً يقرأ نفس درجة الحراة لجسمين ماذا يحدث حينما يوضع الجسمان في حالة تلامس حميم احدهما مع الآخر؟ الإجابة هي:  لن يحدث أي شيء؛ ولن تتغير درجة حرارة أي من الجسمين. معنى ذلك أن الجسمين في حالة اتزان حراري مع بعضهما. إذن، الأجسام أو الانظمة المتساوية في درجة الحرارة تكون في حالة اتزان حراري مع بعضها البعض، هذه العبارة الواضحة هي إحدى صور القانون الصغرى للديناميكا الحرارية الذي يمكن كتابة في الصورة الآتية:

النظامان أو الجسمان الموجودات كل على حدة في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث يكونان في حالة اتزان حراري احدهما مع الآخر.