مقياس درجات الحرارة
| English | العربية |
|---|---|
| thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ | الميزان الحراري |
| thermocouple/ˈθɜːməkʌpl/ | كوبل حراري |
| thermodynamic/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk/ | ديناميكي حراري |
| kelvin/ˈkelvɪn/ | كلفن |
| absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ | الصفر المطلق |
| Celsius/ˈselsɪəs/ | سيليزيوس |
كيف يعمل الترمومتر
- يحتاج الترمومتر إلى شيء يتغير مع درجة الحرارة.
- يتمدد سائل، تزداد مقاومة معدن، يتمدد غاز.
- اقرأ هذا التغير وتقرأ درجة الحرارة.
مختبر مقياس درجة الحرارة
مؤشر كلفن = مؤشر السيلسيوس + 2.73
حرك مؤشر درجة الحرارة بالسيلزيوس لترى كيف يتغير مقياس كلفن بمقدار 273.
أنواع الترمومترات
- أي شيء يتغير بشكل قابل للتكرار مع درجة الحرارة يعمل:
- تمدد سائل، مقاومة معدن، قوة محركة كهربائية لثرموكوبل، حجم غاز.
تررمومتر يقيس درجة الحرارة على مقياس محدد
حدد كل الخصائص التي يمكن استخدامها لقياس درجة الحرارة.
أي خاصية تتغير بشكل قابل للتكرار مع درجة الحرارة تعمل. اللون الثابت للعلبة لا يعمل.
المقياس المطلق
- يستخدم المقياس الديناميكي الحراري (المطلق) وحدة الكلفن (K) ولا يعتمد على مادة واحدة.
- الصفر المطلق ($0\ \text{K}$) هو أقل درجة حرارة ممكنة — أقل طاقة داخلية. لا يوجد شيء أبرد منه.
الصفر المطلق (0 K) هو:
عند 0 K يكون للنظام أقل طاقة داخلية ممكنة؛ لا يمكن جعل شيء أبرد.
الكلفن والسيلزيوس
- $T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273.15$. إذن $0\ °\text{C} = 273\ \text{K}$.
- درجة كلفن ودرجة سيلزيوس لهما الحجم نفسه، لذا فإن تغير قدره $1\ \text{K} = 1\ °\text{C}$.
- استخدم دائماً الكلفن في حسابات قوانين الغازات.
استكمال خط الضغط-درجة الحرارة للخلف عند انحداره إلى ضغط صفري يعطي الصفر المطلق، حوالي -273 درجة مئوية
ما قيمة $27\ °\text{C}$ بوحدة كلفن؟
$T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273 = 27 + 273 = 300\ \text{K}$.
ارتفاع درجة حرارة قدره 1 K يساوي ارتفاعاً قدره 1 °C.
للمقياسين نفس حجم الدرجة — differing only in their zero points (by 273.15).
في حسابات قانون الغاز، يجب أن تكون درجة الحرارة بـ:
تستخدم قوانين الغازات درجة الحرارة المطلقة — الكلفن. استخدام الدرجة المئوية (°C) يعطي إجابات خاطئة.
درجة حرارة تساوي 27 درجة مئوية. ما قيمتها بالكلفن؟
T = 27 + 273 = 300 K. ومع ذلك، فإن فرق درجات الحرارة يكون نفس القيمة في كلا المقياسين: ارتفاع قدره 27 C هو نفسه ارتفاع قدره 27 K.
لماذا المقياس الديناميكي الحراري مميز
- لا يعتمد على خاصية مادة معينة — بل يُعرف من سلوك الغاز المثالي، مع الصفر المطلق ونقطة الماء الثلاثية كنقاط ثابتة له.
- يفترض ترمومتر السائل في الزجاج أن سائله يتمدد بانتظام مع درجة الحرارة. وهذا صحيح تقريباً فقط، لذا فهو يتفق مع المقياس الديناميكي الحراري بدقة فقط عند النقاط التي تم معايرته عليها.
- هذا هو سؤال الامتحان "اشرح لماذا لا يقيس مقياس حرارة السائل في الزجاج درجة الحرارة الديناميكية الحرارية".
ما الذي يجعل المقياس الديناميكي الحراري مميزاً؟ حدد كل الخيارات الصحيحة.
الوحدة هي نتيجة وليس السمة التعريفية. يعتمد مقياس مقياس حرارة الزئبق على كيفية تمدد الزئبق؛ بينما هذا المقياس لا يعتمد على شيء من هذا القبيل.
اختيار مقياس الحرارة
- مقاومة البلاتين: تتغير المقاومة خطياً وبشكل قابل للتكرار مع درجة الحرارة على نطاق واسع — بدقة عالية. لكن لها سعة حرارية كبيرة، لذا فهي بطيئة ولا تستطيع تتبع تغيرات درجة الحرارة السريعة.
- المزدوجة الحرارية: تعطي الوصلات المعدنية المزدوجة قوة دافعة كهربائية؛ صغيرة الحجم، سريعة، ذات نطاق واسع، وتقيس عند نقطة واحدة — مثالية لدرجات الحرارة المتغيرة.
- السائل في الزجاج: رخيص وسهل؛ نطاق محدود، بطيء، ويقرأ فقط عند مكان اللمبة.
صل كل مقياس حرارة بميزته الرئيسية.
السعة الحرارية الكبيرة تجعل مقياس المقاومة دقيقاً لكن بطيئاً؛ بينما يستجيب العقدة الصغيرة للكوبل الحراري بسرعة؛ والمقياس المطلق يُعرف من سلوك الغاز المثالي، وليس المادة.
صل كل مقياس حرارة بالخاصية التي يستخدمها.
للكوبل الحراري سعة حرارية صغيرة ويستجيب بسرعة، ولهذا السبب يُختار لدرجات الحرارة المتغيرة بسرعة.
مثال محلول: إيجاد الصفر المطلق ثم التحويل
حجم ثابت من الغاز له ضغط $100\ \text{kPa}$ عند $0\ °\text{C}$ وضغط $136.6\ \text{kPa}$ عند $100\ °\text{C}$. ثم: يتم تسخين غاز من $27\ °\text{C}$ إلى $742\ °\text{C}$.
- الميل: $\dfrac{136.6 - 100}{100} = 0.366\ \dfrac{\text{kPa}}{°\text{C}}$؛ الضغط خط مستقيم بالنسبة لدرجة الحرارة.
- الاستيفاء إلى صفر الضغط: $\theta = -\dfrac{100}{0.366} = -273\ °\text{C}$ — الصفر المطلق.
- التحويل: $27\ °\text{C} = 300\ \text{K}$؛ $742\ °\text{C} = 1015\ \text{K}$.
- تغير درجة الحرارة: $742 - 27 = 715\ °\text{C} = 715\ \text{K}$ — الفرق عدد متطابق على كلا المقياسين.
- التحقق: الصفر المطلق هو النقطة التي يسقط فيها ضغط الغاز المثالي إلى الصفر؛ سيتكثف الغاز قبل ذلك بكثير، ولهذا السبب تُستنتج هذه النقطة عن طريق الاستيفاء، وليس بالتبريد الفعلي.
تم تسخين غاز من $20\ °\text{C}$ إلى $95\ °\text{C}$. ما مقدار تغير درجة الحرارة بـ K؟
التغير هو نفس الرقم على كلا المقياسين: $95 - 20 = 75\ °\text{C} = 75\ \text{K}$. إضافة 273 ستكون خطأ هنا.
أضف $273$ لتحويل درجة حرارة بالسيليزية إلى كلفن، لكن الفرق الحراري هو نفس العدد على كلا المقياسين — لا تضيف $273$ إلى $\Delta T$. لا يمكن أن تكون درجة الحرارة بالكلفن سالبة. والصفر المطلق هو درجة حرارة الحد الأدنى للطاقة الداخلية، ليس الطاقة الصفرية — عبارة "تتوقف الجزيئات عن الحركة" ليست إجابة مقبولة.
الصفر المطلق هو درجة الحرارة التي تمتلك فيها المادة ____ طاقتها الداخلية.
ليس صفراً للطاقة — بل الحد الأدنى الممكن. ولهذا السبب لا يُقبل عبارة "تتوقف الجزيئات عن الحركة".
لقد فهمت الأمر
- يستخدم مقياس الحرارة أي خاصية تتغير بشكل قابل للتكرار مع درجة الحرارة؛ المقياس الديناميكي الحراري لا يعتمد على أي مادة
- الصفر المطلق $= 0\ \text{K} = -273.15\ °\text{C}$، أدنى درجة حرارة ممكنة (أدنى طاقة داخلية)
- $T/\text{K} = \theta/°\text{C} + 273$؛ الفرق متساوٍ في K و°C؛ استخدم الكلفن في قوانين الغازات