قياس درجة الحرارة

من أجل تحويل المنظار الحراري إلى مقياس حراري لابد من استخدام القانون الصفر وأخذ نقاط معيارية ثابتة ،فمثلا نقطتا التجمد والغليان للماء نقطتان معياريتان مھمتان جدا وثابتتان على الدوام عند سطح البحر ويمكن الاستفادة منھما من أجل تدريج أي مقياس حراري رقميا سواء كان مقياس سوائل ( زئبق ، كحول ....) أو الكتروني .

وفي عام 1967م تم الاتفاق دوليا اعتماد النقطة الثلاثية للماء وھي تواجد الماء في أطواره الثلاثة الشكل (1)(غاز –سائل – صلب ) وقد أخذت ھذه النقطة الرقم  273.16 K  أي T₃ = 273.16 Kحيث أن الرقم ثلاثة يعني النقطة الثلاثية وھي تساوي إلى درجة تجمد الماء وقيمتھا الرقمية على السلم المئوي الصفر المئوي 0^oC)).

 يجب الانتباه أن درجة الحرارة تحقق مفھوم التساوي ، ولكنھا لاتحقق مفھوم الجمع ،بحيث أننا لو مزجنا عدة أجسام ذات درجات حرارة مختلفة فان درجة الحرارة النھائية للمزيج لا تساوي مجموع درجات الحرارة لتلك الأجسام ،أي أن درجة الحرارة ليست جمعية بل تعتمد على القانون الصفر (التوازن الحراري). في حين أن الأطوال والكتل تخضع للقانون الجمعي. ودرجة الحرارة تعتمد على التعيين بواسطة المقياس الحراري وھذا التعيين أتفق أن يكون رقميا بالاعتماد على القانون الصفر. وبالتالي نحن بحاجة لاعتماد سلم رقمي يعبر عن درجة الحرارة برقم يخضع لذلك السلم ،وھناك العديد من مقاييس درجة الحرارة المستعملة أھمھا المقياس المئوي والفھرنھايت والكلفن .....الخ (Celsius, Fahrenhiet, Kelvin…..etc) ،ومقدار التدريجة الواحدة لكل من المقياس المئوي والكلفن متساويتان ،في

حين أنھا مختلفة على سلم الفھرنھايت ، أما تقسيم المسافة بين نقطة التجمد والغليان للماء على المقاييس السابقة الذكر فتتم وفقا للقانون الصفر على النحو التالي :

1) السلم المئوي: تقسم المسافة بين النقطتين الثابتتين (التجمد والغليان) الى مائة قسم (تدريجة) متساو تسمى النقطة الاولى صفر درجة مئوي والثانية مائة درجة مئوية ،

وسمي ھذا السلم بسلم سيلزيوس Celsius نسبة الى العالم الذي ابتكر ھذا السلم عام 1742م ،فدرجة تجمد الماء ھي 0 ^oC ،ودرجة غليانه 100 ^oC. أنظر الشكل ((2.

2) السلم المطلق: تقسم المسافة بين النقطتين الثابتتين الى مائة قسم متساو، تأخذ النقطة الأولى (التجمد)الرقم 273.16K ،وتأخذ النقطة الثانية (غليان الماء) الرقم 273.16K ، يدعى السلم بسلم كلفن أو السلم المطلق ،وبالتالي فان الصفر المطلق يقابل الرقم ^oC -273.16 على سلم سيلزيوس . والصفر المطلق يتم الوصول اليه (نظريا)عندما يتلاشى حجم الغاز أي يصل حجم الغاز الى الصفر عند ضغط ثابت. أنظر الشكل (2).

3) السلم الفھرنھايتي: تقسم المسافة بين النقطتين الثابتتين الى 180 قسما متساويا، تعطى النقطى الاولى (التجمد للماء) الرقم 32 ^oF ،وتعطى النقطة الثانية الرقم 212 ^oF (نقطة غليان الماء. يعود ھذا السلم الى العالم Fahrenheit عام 1709 م ويستعمل في أمريكا وبريطانيا.أنظر الشكل (3).

4) ھناك مقاييس مختلفة كلھا يعتمد على الأطوار الثلاثة للمادة (غاز – سائل – صلب) وتنوعت ھذه المقاييس وتعددت كثيرا وذلك حسب الغرض منھا والمجال الحراري المدروس ففي الدرجات العالية لا يصلح مقياس الكحول مثلا لأنه يتبخر وفي الدرجات تحت الصفر لا يصلح مقياس الزئبق لأنه يتجمد ، وھكذا فان الحاجة لمجال حراري ما جعل العلماء يبتكرون جھازا يتوافق مع ذلك المجال والمقاييس التالية تستعمل في أغراض متعددة وحسب مقدرتھا على إعطاء القانون الصفر حقه (المقاييس الغازية للدرجات المنخفضة – المقاييس السائلة – المقاييس الصلبة – المقاييس ثنائية المعدن – المقاييس ذات المقاومة المتغيرة باستخدام جسر قنطرة واطسطن – مقاييس الازدواج الحراري من اجل الدرجات العالي....الخ).

والعلاقة بين السلم (scale) المئوي والكلفن الشكل (2) كما في العلاقة التالية:

حيث  T_cدرجة الحرارة على السلم المئوي، T_k درجة الحرارة على السلم المطلق أما العلاقة بين مقياس الفھرنھايت والمئوي الشكل (3) فھي كما في العلاقة التالية:

العلاقة (3) العلاقة العامة بين السلالم الثلاث السابقات الذكر. انظر الشكل (4+5) للمقارنة بين المقاييس الثلاثة. الجدول التالي يبين بعض الدرجات على السلالم الثلاثة:

الشكل  : (2) مقياسي درجة الحرارة على سلم المئوي والكلفن

الشكل : (3) مقياسي درجة الحرارة على السلم المئوي والفھرنھايتي

الشكل  : (4) شكل مقارنة بين المقاييس الثلاثة

الشكل: (5) درجات الحرارة على السلالم الثلاثة لمواد مختلفة.