موضوعنا النهاردة اللي حنتكلم عنه هو درجة الحرارة أو Temperature .. برج الجوزاء بتاع الفيزياء .. الكمية الفيزيائية اللي محدش عارف يفهمها ولا يستوعبها ولاحتي يديها تعريف تتفهم به .. عارف إن فيه كتير مننا كان أدبي في ثانوية عامة وبيكرهوا الفيزياء وعارف إن حتي اللي مننا كانوا علمي رياضة أو علمي علوم بيكرهوا الفيزياء برده .. موضوع المقالة دي هو عبارة عن سؤال واحد بس .. هو يعني إيه درجة حرارة؟ .. في المقالة دي حنتكلم عن 3 تعريفات مختلفين لدرجة الحرارة:
- التعريف الأول هو التعريف الكلاسيكي لدرجة الحرارة.
- التعريف الثاني هو التعريف التاريخي لدرجة الحرارة.
- التعريف الثالث هو التعريف الحديث لدرجة الحرارة.
خلينا نبدأ بالتعريف الكلاسيكي اللي كتير مننا درسه في المدرسة:
لو فتحت أي مرجع فيزياء حتلاقي درجة الحرارة ليها تعريف كلاسيكي لطيف أوي إنها مقياس لمتوسط طاقة الحركة للجزيئات اللي بتكون أي جسم .. بمعني .. لو عندك جسم أيا كان هو إيه .. إياكش حتي معلقة شاي .. لو معلقة الشاي دي درجة حرارتها زادت فده معناه إن جزيئات المعدن اللي معلقة الشاي إتصنعت منها بتتحرك بمعدل سريع جداً .. ده تعريف مش وحش وفي نفس الوقت بيحطك قدامك علامة إستفهام .. يعني هي إسمها درجة حرارة .. يعني فيه كلمة حرارة في إسمها .. ولما تيجي تعرّفها تقولي إنها مقياس لطاقة الحركة؟ .. ده حيودينا لأول أسطورة في الفيزياء إحنا إتربينا عليها والحقيقة إنهم ضحكوا علينا وإحنا صغيرين لما قالولنا إن درجة الحرارة بتعبر عن الطاقة الحرارية .. الحقيقة المُرة إن الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة ملهمش أي علاقة ببعض خالص.
بص يا سيدي .. فيه حاجة إسمها الطاقة الحرارية Thermal Energy ودي تبقي الطاقة الكلية اللي موجودة في معلقة الشاي بسبب حركة جزيئات المعدن اللي معلقة الشاي مصنوعة منه .. وعشان كده لما جينا عرّفنا درجة الحرارة قلنا إنها مقياس لمتوسط طاقة الحركة Average Kinetic Energy مش طاقة الحركة الكلية .. أنا عارف إنك تهت مني فخليني أديلك مثال:
لنفترض إنك وإنت راجع من شغلك كنت جعان فقلت أشتري بيتزا من الفطاطري اللي تحت البيت .. إتغديت وشبعت ولسه فاضل شريحتين بيتزا .. قلت لنفسك ححطهم في الثلاجة وبليل أبقي أتعشي بيهم .. تعالي إنت بليل هات شريحتين البيتزا اللي سقعوا من حطتهم في الثلاجة وحطهم علي شريحة ورق فويل اللي هو ورق الألمونيوم اللي بيحفظوا به الأكل لما يطلع من الفرن وحط ورقة الفويل وفوقها شرحتين البيتزا في الفرن عشان البيتزا متلزقش في الصينية وسبهم 10 دقايق .. بعد 10 دقايق إفتح الفرن حتشم ريحة البيتزا بتخدرك ومعدتك بتلعب وريقك بيسيل بس معلش أصبر شوية .. تعالي إنت حاول تمسك شريحتين البيتزا بطراطيف صوابعك عشان تتطلعهم من الفرن حتلاقيهم سخنين أوي ومش حتعرف تمسكهم .. تعالي إمسك ورقة الفويل وإسحبها وفوقها شريحتين البيتزا مش حتلاقي ورقة الفويل سخنة .. طب إزاي؟ .. سواء شريحتي البيتزا أو ورقة الفويل الإتنين قعدوا في الفرن 10 دقايق .. الإتنين ليهم درجة حرارة واحدة .. طب إشمعني إنت تقدر تمسك ورقة الفويل بس متقدرش تلمس شريحتي البيتزا؟
التفسير بمنتهي البساطة إن ورقة الفويل رفيعة وبالتالي ملهاش كتلة تُذكر وده بيخلي الطاقة الحرارية اللي فيها ولا حاجة .. من غير ما الشيء اللي بتتكلم عنه أيا كان هو إيه يبقي فيه كمية كبيرة من الطاقة الحرارية فلو لمستها مش حتتحرق ولا حتتلسع .. ده يوريك إن الطاقة الحرارية ودرجة الحرارة ملهمش علاقة ببعض .. مش معني إن جسم درجة حرارته عالية إن فيه كمية طاقة حرارية كبيرة.
التعريف الثاني لدرجة الحرارة هو التعريف التاريخي وده حطه أوائل الناس اللي بدأت تدرس درجة الحرارة بس مش كل الناس دلوقتي شغاله به:
التعريف ده بيقول بمنتهي البساطة هو إن درجة الحرارة هي الحاجة المشتركة بين أي جسمين فضلوا لازقين في بعض لفترة طويلة من الزمن .. فيه منكوا حيبص للكلمتين دول وحيكونوا مذاكرين شوية ديناميكا حرارية Thermodynamics وحيقولي هو إنت مش كده بتتكلم عن الإتزان الحراري Thermal Equilibrium؟ .. حرد عليك وأقولك الله ينور بس خلينا نشرح الموضوع بشيء من التفصيل للناس اللي إما محدش شرحلها ديناميكا حرارية قبل كده أو اللي علي الأقل مش فاكرين.
لو حضرتك جبت كروانة فيها مياه سخنة وجبت ورقة فويل ألمونيوم وكورتها عملت منها كرة ورميتها في الكروانة وسبتهم مع بعض شوية .. في الإخر إنت لو جيت تقيس درجة حرارتهم حتلاقيهم ليهم نفس درجة الحرارة مع إن في الأول المياه كانت سخنة أوي وكرة الألمونيوم كانت ليها نفس درجة حرارة الغرفة .. ده مش معناه زي ما قلنا من التعريف الأول إن المياه اللي في الكروانة ليها نفس قيمة الطاقة الحرارية لكرة الألمونيوم .. ده بس معناه إن بعد فترة من الوقت الإتنين بقي ليهم نفس درجة الحرارة.
نيجي بقي للتعريف الثالث وهو التعريف الحديث اللي هو فعلاً صعب شوية في شرحه:
التعريف ده بيقول إن درجة الحرارة هو مقدار التغير في الطاقة الداخلية Internal Energy لأي جسم بالمقارنة بالإنتروبي Entropy .. طبعاً إنت بتقول في سرك بااااااااس هي لسه فيها إنتروبي Entropy بعدين تطلع إيه الإنتروبي دي أصلاً؟ .. أنا حريحك ومش حشرح التعريف ده كلمة كلمة .. خليني أشرحلك روح التعريف ده عشان بس تكون مستوعب التعريف ده بيقول إيه .. خلينا نرجع تاني لمفهوم الإتزان الحراري Thermal Equilibrium .. لنفترض إن عندك قطعة معدن حطتها علي النار لحد ما إحمّرت خالص .. جيت إنت جبت قطعة المعدن المولعة دي حطتها علي معلقة شاي ومسكت طرف معلقة الشاي .. طبعاً مفيش ثواني وحتحس إن الحرارة إنتقلت من قطعة المعدن لطرف المعلقة اللي إنت ماسكها منه .. سيب قطعة المعدن فوق المعلقة لحد ما الإتنين يوصلوا مع بعض للإتزان الحراري .. هنا إنت محتاج تسأل نفسك: هو يعني إيه المعلقة وقطعة المعدن يوصلوا للإتزان الحراري Thermal Equilibrium؟
- هل ده معناه إن لما تيجي تحسب الطاقة الحرارية لقطعة المعدن وتقارنها بالطاقة الحرارية لمعلقة الشاي يدوك نفس الرقم؟
- هل ده معناه إن مجرد الحرارة ما تنتقل من قطعة المعدن للمعلقة .. بمعني أخر إن بمجرد ما حرارة قطعة المعدن بدأت تقل وحرارة المعلقة بدات تزيد؟
- ولا هل ده معناه إن درجة حرارة قطعة المعدن تتساوي مع درجة حرارة المعلقة؟
الحقيقة هم الثلاثة مع بعض .. بس هو الموضوع له علاقة بالإحصاء شوية .. يعني لما حضرتك تحط قطعة المعدن السخنة علي المعلقة فعندك 3 إحتمالات يحصلوا بس الإحتمال الأقرب للحدوث هو إن درجة حرارة قطعة المعدن تتساوي مع درجة حرارة المعلقة .. وعشان كده جري العرف إن معني كلمة إتزان حراري بين جسمين إنك تجيب ترمومتر تقيس بيه درجة حرارة الجسمين لو طلعوا نفس الرقم يبقي الجسمين وصلوا لThermal Equilibrium.
وده اللي التعريف الثالث بيحطك قدامه .. درجة الحرارة هي كمية إحصائية Statistical Quantity .. بمعني .. لو حبيت أقيس درجة حرارة شوية مياه موجودين في كوباية .. حضرتك حتجيب ترمومتر زئبقي وتحطه في الكوباية .. درجة الحرارة اللي بتطلعك هي متوسط درجة حرارة جزئيات المياه لإن مينفعش تقولي إنك ناوي تحسب درجة حرارة جزيء معين من جزيئات المياه اللي موجودين في الكوباية .. مينفعش تقولي أنا حقيس درجة حرارة أليكترون معين بيدور حول ذرة .. لو لقيت حد بيقولك كده فهو بيهري وبيفتي.
أخر نقطة محتاجين نتكلم عنها هو إزاي بنقيس درجة الحرارة؟
إنت عندك أشهر 3 مقاييس لدرجة الحرارة هم السيليزيوس Celsius والفهرنهايت Fahrenheit والكلفن Kelvin .. السؤال دلوقتي هو إيه الفرق بين الثلاثة:
- السيليزيوس Celsius هو أشهر المقاييس دي وأسهلها .. عشان بس تكون مستوعب الفرق بينهم .. لما أجي أقولك إن درجة الحرارة بره دلوقتي هي صفر سليزيوس فده معناه إن الدنيا ساقعة أوي .. بس لما أجي أقولك إن درجة الحرارة بره 40 درجة سليزيوس فده معناه إن الدنيا حر أوي .. ليه ده؟ .. لإن حضرتك عشان تعاير مقياس سليزيوس بتقول والله إن الصفر درجة سليزيوس هو درجة تجمد الماء في حين إن ال100 درجة سليزيوس هو درجة غليان الماء … الدنيا سهلة أهي .. بس إنت عندك مشكلة وهي إن درجة الغليان والتجمد بتعتمد علي الضغط الجوي .. للسبب ده الدراسات العلمية أحياناً كتير مبتحبش تعتمد علي مقياس سليزيوس لإنه مرتبط بقيمة الضغط الجوي اللي إنت شغال عليه.
- الكلفن Kelvin هو إبن عم السليزيوس .. كتدريج الكلفن هو هو السليزيوس بس متشفت 273.15 .. بمعني .. الصفر كلفن هو هو 273.15 درجة سليزيوس .. خدت بالك إني قلت صفر كلفن علي طول من غير درجة لإن مقياس كلفن مفيهوش حاجة إسمها درجة حرارة مثلاً 155 درجة كلفن هي بتتقال درجة الحرارة 155 كلفن علي طول .. ميزة الكلفن إن مفيهوش قراءات سالب يعني مفيش درجة حرارة قيمتها سالب كلفن وده بيخلي النظام العالمي للوحدات SI بيستخدم الكلفن كوحدة قياس مش السليزيوس لمجرد تسهيل العمليات الحسابية.
- الفهرنهايت Fahrenheit هو أحسن واحد فيهم وأدق واحد فيهم والسبب في كده إنه باني تعريف الفهرنهايت علي حاجتين: الحاجة الأولي هي درجة حرارة جسم الإنسان واللي متقاسة بإنها حوالي 98 درجة فهرنهايت .. إشمعني 98 درجة فهرنهايت محدش عارف والله .. والحاجة الثانية هو درجة حرارة مخلوط الملح والثلج عند درجة صفر فهرنهايت والسبب في كده إنك لو جبت الملح والثلج حطتهم علي بعض فأسقع درجة حرارة حتوصلها هي صفر درجة فهرنهايت ومش حتقل عن كده مهما عملت وعشان كده الأيس كريم بيتعمل من مخلوط الملح والثلج .. عشان بس أحطك في الصورة برده .. لما تيجي تقول إن درجة الحرارة بره صفر درجة فهرنهايت فده معناه إن الدنيا ساقعة طحن يمكن أسقع بكتير من إنك تقول إنها صفر درجة سليزيوس .. ولما تيجي تقول إن درجة الحرارة بره 100 درجة فهرنهايت فده معناه إن الدنيا حر أوي بره في حين إن ال100 درجة سليزيوس هي درجة غليان المياه.
المصدر:
- مقالة بعنوان Temperature isn’t What You Think it is نشرت في Website إسمه Wired وده لينك المقالة الأصلية:
https://www.wired.com/story/temperature-is-not-what-you-think-it-is/
