مقالات في التكنولوجيا

القانون الصفري للديناميكا الحرارية ودرجة الحرارة

القانون الصفري للديناميكا الحرارية ودرجة الحرارة

ينص القانون الصفري للديناميكا الحرارية على انه اذا كان هناك جسمين في حالة اتزان حراري مع جسم ثالث فانهما يكونا في حالة اتزان حراري مع بعضهما البعض. ان الاتزان الحراري يعني ان يكون هناك اتصال حراري بين جسمين من خلال جدار او فاصل يسمح بالتبادل الحراري بينهما ونقول انهما في حالة اتزان حراري اذا اصبحت صافي الانتقال الحراري بينهما يساوي صفر.

هذا يعني ان الاجسام الثلاثة لهم نفس درجة الحرارة. ومن هنا تكمن اهمية القانون الصفري للديناميكا الحرارية في انها اعتبرت ان درجة الحرارة هي واحد من الخواص الاساسية للمادة.

اعلانات جوجل

نبذة تاريخية وسبب التسمية

عندما وضعت القوانين الثلاثة للديناميكا الحرارية في مطلع القرن الثامن عشر لاحظ العلماء في ذلك الوقت ان هناك قانون اخر يجب ان يضاف لقوانين الديناميكا الحرارية الثلاثة. الا ان القانون الجديد هذا الذي اعطى تعريف لدرجة الحرارة يجب ان يكون في مقدمة القوانين الثلاثة السابقة ويتصدر القائمة. ان هذا الامر سبب معضلة للعلماء لان القوانين الثلاثة الاولى كانت معروفة وتم التعامل معها بارقامها القانون الاول والثاني والثالث واعادة ترقيمها قد يتسبب في احداث بعض التضاربات في البحوث العلمية المنشورة ويسبب مشكلة للقراء والباحثين. والتفكير في ان يكون هو القانون الرابع لم يكن مناسبا لانه قانون بديهي ويجب ان يتصدر القوانين الثلاثة السابقة. تقدم العالم رالف فويلر Ralph Fowler باقتراح لحل هذه المعضلة واطلق عليه القانون الصفري Zeroth Law. تجدر الاشارة هنا إلى ان الكاتب المشهور في مجال الخيال العلمي اسحاق اسيموف Issac Asimov استخدم نفس الفكرة في العام 1994 عندما وجد انه بحاجة إلى اضافة قانون جديد لثلاثة قوانين للروبوتات في روايته بعنوان Robots and Empire يجب ان يكون في المقدمة.

طبقا لاستاذ الفيزياء ديفيد مكاي David McKee بان القانون الصفري يخبرنا ان بغض النظر عن مقدار الطاقة التي يمتلكها نظامين لا تمكنا ان نعرف اي اتجها سوف تتدفق فيه الطاقة الحرارية اذا وضعا في حالة اتصال حراري مع بعضهما البعض. ان القانون الصفري الذي يحدد درجة الحرارة يعرف اتجاه التدفق الحراري وهذا ليس بالضرورية ان يعتمد بشكل مباشر على مقدار الطاقة المستخدمة ونحتاج لمعرفة اتجاه التدفق الحراري بين نظامين إلى معرفة درجة حرارتهما.

مقياس درجات الحرارة Thermometers

اعلانات جوجل

حتى ابسط النباتات او الحيوانات تستجيب للتغيرات في درجات الحرارة. ان كلمة سخونة وبرودة او اسخن من او ابرد من هي مصطلحات متأصلة في علم وظائف الاعضاء. وحتى نتمكن من التعبير عن هذه المصطلحات حتى نستطيع استخدامها بشكل مفيد نحتاج إلى بعض المعايير للمقارنة. ومن احد هذه المعايير الاساسية التي لازالت تستخدم حتى يومنا هذا هو درجة تجمد الماء ودرجة غليانه. الا ان المشكلة كانت كيف يمكن ان نصف درجات الحرارة بدقة كافية لتكون مفيدة.

يعرف القانون الصفري للديناميكا الحرارية درجة الحرارة ويجعل من مقاييس درجات الحرارة ممكنا. لمقياس حراري مفيد يجب في البداية ان يتم معايرته. فكل وحدات القياس المعروفة مثل الطول والكتلة والزمن وغيرها معرفة طبقا لمعيار دقيق. في هذه الحالة لا يجب ان نعرف وحدة القياس فحسب ولكن يجب ان نحدد نقطة بداية المقياس.

من الجهود التي بذلت في هذا المجال كانت بواسطة العالم دانيال فاهرنهيت Daniel Fahrenheit في مطلع القرن الثامن عشر، حيث اخترع مقياس لدرجة الحرارة من انبوبة زجاجية باستخدام الكحول والزئبق. كما انها اخترع مقياس فاهرنهيت والذي اختار نقطتي تجمد وغليان الماء لتكون 32 و212 على التوالي. ولازالت تستخدم في الولايات المتحدة. الا ان باقي العالم يستخدم المقياس المئوي الذي اخترعه العالم سيليزس والذي اختار نقطة التجمد والغليان لتكون صفر و100.

لو لاحظت عزيزي القارئ ان كل المقاييس المستخدمة في العلوم والهندسة تبدأ من القيمة صفر. في الطول والكتلة والزمن كلها تبدأ من الصفر وهذا شيء محسوس وندركه، لكن درجة حرارة صفر او الصفر المطلق حيث لا يكون هناك اي طاقة حرارية امر صعب التخيل. هذا لان عند درجة الحرارة الصفر المطلق لا يمكن ان نوجدها في الطبيعة او حتى في المختبر ومن المتوقع ان لا نصل لها ابدا.

ان الوحدة المستخدمة لدرجة الحرارة هي الكلفن kelvin والتي يرمز لها بـ k وتعرف من خلال النقطة الثلاثية للماء والتي تساوي 0.01 درجة حرارة مئوية. والنقطة الثلاثية تحدد درجة الحرارة ومقدار الضغط الذي تتواجد فيه المادة في حالاتها الثالثة السائلة والصلبة والغازية مع بعضها البعض. وقد وقع الاختيار على النقطة الثلاثة لانه يمكن بسهولة الحصول عليها كمقدار ثابت في كل الحالات وفي اي مختبر بينما درجة حرارة تجمد الماء فانها تتأثر بالكثير من العوامل والمتغيرات. وحدد العلماء إلى ان النقطة الثلاثية للماء تساوي 273.16k.

اعلانات جوجل

معظم مقاييس درجات الحرارة تحتوي على سائل او معدن يتغير حجمه او شكله بناء على درجة الحرارة. عندما يصل السائل او المعدن إلى حالة الاتزان الحراري مع اي جسم او مادة نرغب في قياس درجة حرارتها فان الكمية الفيزيائية الحساسة لدرجة الحرارة في داخل مقياس الحرارة تتغير وتشير إلى درجة الحرارة.

على سبيل المثال بعض انواع مقاييس درجات الحرارة تستخدم السائل مثل الكحول او الزئبق والذي تمدد او ينكمش مع زيادة او انخفاض درجة الحرارة. ان هذا التمدد الحادث في انبوبة رفيعة يعبر بدقة عن درجة الحرارة، وبالتالي اي تغيرات طفيفة في درجة الحرارة تنعكس على مقدار ارتفاع او انخفاض السائل في الانبوبة. وبمعايرة ارتفاع السائل في الانبوبة نستطيع معرفة درجة الحرارة على المقياس المستخدم.

هناك نوع اخر من انواع مقاييس درجات الحرارة يعتمد على التمدد الحراري للمعدن. وحتى نحدث تغير ملحوظ وكبير في التمدد الصغير الحادث لطول المعدن نقوم بتشكيل المعدن في صورة حلقات لولبية بحيث ان اي تغير في طول المعدن ينعكس عدة مرات حسب عدد الحلقات. كما يتم استخدام نوعين من المعادن في صورة شرائح وذلك للاستفادة من الاختلاف في تمددهما عند تسخينهما وينتج عنه انحناء او تقوس في الشرائح نستطيع من خلاله تحديد مقادر درجة الحرارة من معايرة التقوس لمعرفة مقدار درجة الحرارة.

كما انه هناك نوع من مقاييس درجة الحرارة يعتمد على التغيرات في اللون وهذه خاصية موجودة في بعض المواد العضوية الحساسة لدرجة الحرارة. وهذه المقاييس مفيدة في قياس درجات حرارة في مدى محدود مثل رصد درجات حرارة الغرفة او مراقبة مريض مصاب بالحمى. وهناك جهاز اخر لقياس درجة الحرارة يعتمد على تغير المقاومة الكهربائية لمادة شبه موصلة. وهي اجهزة تعمل على قياس تغيرات طفيفة في درجات الحرارة وتستخدم كثيرا في مختبرات الابحاث العلمية لمراقبة درجات الحرارة لعينة تحت الدراسة.

اعلانات جوجل

في النهاية لا توجد اي وسيلة لقياس درجة الحرارة لا تعتمد على القانون الصفري للديناميكا الحرارية.

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى