درجة الحرارة

# وسم · @ مؤلف · ! عالم

درجة الحرارة هي مقياس إحصائي لمتوسط الطاقة الحركية للحركة العشوائية للجسيمات. في الديناميكا الحرارية، تحدد اتجاه انتقال الحرارة (من الساخن إلى البارد). ويرتبط مقياس كلفن بالصفر المطلق، حيث تكون الحركة الحرارية في أدنى مستوياتها.

التاريخ

صُنعت أولى مقاييس الحرارة في القرن السابع عشر على يد غاليليو وسانتوريو. وفيما بعد، ابتكر سيلزيوس وفهرنهايت مقياسين مناسبين. وفي القرن التاسع عشر، اقترح اللورد كلفن المقياس المطلق الذي يبدأ من الصفر.

كيف يعمل

عند لمس المدفأة الساخنة، تنتقل الحرارة إلى اليد: تنقل جسيمات المدفأة سريعة الحركة طاقتها إلى جسيمات اليد البطيئة — فتتساوى درجتا الحرارة.

💡 في الفضاء، بعيدًا عن النجوم، تبلغ درجة حرارة الإشعاع الخلفي 2.7 كلفن فقط (−270 درجة مئوية) — وهي من بقايا الانفجار العظيم.

درجة الحرارة كمية ترموديناميكية مُركّزة تصف حالة التوازن. القانون الصفري للديناميكا الحرارية: لأي نظامين في توازن حراري مع نظام ثالث نفس درجة الحرارة. وفي المستوى المجهري، عند التوازن، يساوي متوسط الطاقة الحركية لكل درجة حرية (1/2)k_B T (مبرهنة التوزع المتساوي). وفي الميكانيكا الإحصائية، 1/T = ∂S/∂U. يُحدد المقياس المطلق بدورة كارنو. وتستخدم المقاييس العملية (ITS-90) نقاطًا مرجعية. أما درجات الحرارة القصوى فتُقاس بمبادئ فيزيائية مختلفة.

التاريخ

بدأت القياسات الكمية مع الثيرموسكوب الذي اخترعه غاليليو (1593). وفي عام 1714، صنع دانيال فهرنهايت مقياس الحرارة الزئبقي ومقياسه. واقترح أندرس سيلزيوس عام 1742 المقياس المئوي. وأدخل ويليام طومسون (اللورد كلفن) المقياس المطلق عام 1848. وبرر لودفيغ بولتزمان درجة الحرارة إحصائيًا عبر توزيع بولتزمان. وتصل دقة قياس الحرارة الكمومي الحديث إلى 10⁻⁶ كلفن.

كيف يعمل

تتجلى درجة الحرارة من خلال توزيع بولتزمان: احتمالية حالة ذات طاقة E تتناسب مع exp(-E/kT). ويؤدي رفع T إلى شغل مستويات طاقة أعلى. ويوصف الإشعاع الحراري بقانون بلانك وإزاحة فين. وتوزيع سرعات الغاز هو توزيع ماكسويل-بولتزمان. القياس: الترمومترات (تمدد السوائل)، المزدوجات الحرارية (تأثير زيبيك)، مقاييس البولومتر (قياس الإشعاع)، والبيرومترات (قياس الحرارة عن بعد). ويمنع القانون الثاني للديناميكا الحرارية المحرك الأبدي باستخدام مفهوم درجة الحرارة. وتربط إنتروبيا بيكنشتاين-هوكينغ درجة حرارة الثقب الأسود بمساحة الأفق.

\langle E_k \rangle = \frac{1}{2} k_B T

⟨E_k⟩ هو متوسط الطاقة الحركية، k_B ثابت بولتزمان، k_B ≈ 1.381×10⁻²³ جول/كلفن، T درجة الحرارة المطلقة بالكلفن

P_i \propto e^{-E_i/(k_B T)}

P_i هي احتمالية الحالة، E_i طاقة الحالة، k_B ثابت بولتزمان، T درجة الحرارة

\lambda_{\max} = \frac{b}{T}

λ_max هو الطول الموجي لقمة الإشعاع، b ثابت فين، b ≈ 2.898×10⁻³ متر·كلفن، T درجة الحرارة المطلقة

j = \sigma T^4

j هي قابلية الإشعاع لوحدة المساحة، σ ثابت ستيفان-بولتزمان، σ ≈ 5.67×10⁻⁸ واط·م⁻²·كلفن⁻⁴، T درجة الحرارة

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

تعريف درجة الحرارة في الأنظمة غير المتوازنة (الأوساط النشطة); حدود القياس الحراري الكمومي عند درجات الحرارة فائقة الانخفاض; درجة حرارة الثقوب السوداء ومفارقة المعلومات (جدار النار); قياس درجة الحرارة داخل النجوم النيوترونية عبر النيوترينوات

💡 أعلى درجة حرارة تم تحقيقها في المختبر هي نحو 5.5 تريليون درجة (في مصادم الهدرونات الكبير)، أي أسخن من مركز الشمس بـ 250,000 مرة. وأما الرقم القياسي في البرودة فهو بضع بيكوكلفنات، حيث تكاد الذرات تتوقف تمامًا.

لا مقالات بعد

درجة الحرارة

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

التاريخ

كيف يعمل

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

مقالات ذات صلة