درجة الحرارة

مقياس حرارة بتدريجات كلفن وسلسيوس

هي قياس لمقدار الحرارة على سلم ما، مثل المقياس المئوي أو مقياس سلسيوس (سويدي) أو كلفن (بريطاني) أو فهرنهايت (ألماني). يبدأ المقياس المئوي من اعتبار حرارة ذوبان الجليد مساوية لدرجة الصفر وحرارة غليان الماء مساوية لمائة درجة، وذلك عند ارتفاع صفري عن سطح البحر. ومن ثم يقسّم المجال بين الصفر والمائة إلى مائة تدريجة. أما مقياس سلسيوس فهو يستند إلى أن الصفر المطلق هو - 273.15 درجة على سلمه وبحيث تكون درجة الصفر هي حرارة تجمد الماء، وتكون حرارة غليان الماء مساوية 99.975 سلسيوس، أي بفارق بسيط مع السلم المئوي. أما سلم قياس كلفن، والذي صفره هو الصفر المطلق، ودرجة حرارة الصفر السلسيوسي تساوي 273.15 كلفن. وبذلك يكون الفارق بين درجتي حرارة بالكلفن أو بالسلسيوس هو نفسه. ويعتمد مقياس الفهرنهايت الصفر لحرارة انصهار مزيج من كلورات الأمونيوم والماء، وحرارة جسم الإنسان على أنها مساوية إلى 96 فهرنهايت. وبالقياس وجد فهرنهايت أن حرارة تجمد الماء هي 32 فهرنهايت وغليانه هي 212 فهرنهايت.

التاج الشمسي

في الأسفل:التاج الشمسي عند الكسوف الكامل
في الأعلى رسم يظهر امتدادات البلازما في التاج الشمسي 

هو جزء من الغلاف الجوي الشمسي خارج المنطقة الغازية المحيطة والملاصقة للشمس. عبارة عن بلازما منحلة في محيط الشمس تندفع بتأثير الانفجارات النووية الدائمة داخل الشمس، يمتد إلى مسافات بعيدة جداً تصل إلى عشرة ملايين كيلومتر، أي نحو سبعين مرة من نصف قطر الشمس. يمكن رؤيته عند كسوف الشمس التام، يظهر على حواف القرص الأسود الذي يشكله القمر عند حجبه للشمس على شكل خاتم مضيء وغير منتظم الحواف. وفي حين أن حرارة الشمس في مركزها من نحو 16 مليون كلفن ودرجة حرارة السطح من نحو ستة آلاف كلفن، فإن حرارة التاج تصل إلى المليون كلفن، وهي تزداد مع الابتعاد عن سطح الشمس. هذه الظاهرة غير مفهومة تماماً حتى اليوم. أرسلت الناسا المسبار باركر عام 2018 لدراسة الشمس وهذه الظاهرة بالتحديد في مهمة تستغرق سبع سنوات بأمل كشف السر.

البارون كلفن

 

هو ويليام تومسون، رياضياتي وفيزيائي ومهندس بريطاني اسكتلندي. ولد عام 1824 وتوفي عام 1907. عمل في جامعة غلاسكو لمدة 53 سنة مدرساً للفلسفة الطبيعية. له أعمال هامة في التحليل الرياضياتي للكهرباء، وفي صياغة قانوني الترموديناميك الأول والثاني، وقام بجهود كبيرة في توحيد اختصاص الفيزياء البازغ في وقته ووصوله إلى شكله الحالي. تُنسب إليه درجة الحرارة المطلقة التي أعطيت واحدتها الاسم "كلفن". كان حدها الأدنى معروفاً قبله (الصفر المطلق) ولكنه هو من حسب قيمته 273.15- درجة مئوية، حيث تتوقف نهائياً حركة الغازات وينعدم ضغطها. عمل في مشروع مد خطوط التلغراف عبر المحيط الأطلسي. وكان سبب شهرته شعبياً وثروته، وعليه حاز لقب "السير تومسون" عام 1866 من ملكة بريطانيا فيكتوريا. قام بتحسين دقة الفرجار البحري المساعد في الملاحة. حصل على جائزة كوبلي عام 1883 من الجمعية الملكية البريطانية وأصبح رئيسها بين عامي 1890 و 1895. منح لقب النبالة "بارون كلفن" تقديراً لإنجازاته في الترموديناميك ومعارضته استقلال أيرلندا. وكان أول عالم يدخل مجلس اللوردات.

الانفجار الشمسي

 

أحد أشكال الانفجار الشمسي

أو التوهج الشمسي. هو انبعاث موضعي شديد للإشعاع الكهرومغناطيسي في الغلاف الجوي للشمس. يحدث في مناطق نشطة ويكون عادة مصحوباً بقذف كتل تاجية، ونشاط جسيمات شمسية أو ما يسمى بعواصف إشعاع شمسية، وظواهر شمسية أخرى. يختلف حدوث التوهجات الشمسية باختلاف الدورة الشمسية التي تبلغ وسطياً 11 عاماً. يُعتقد أنها تحدث عندما تؤدي الطاقة المغناطيسية المخزنة في الغلاف الجوي للشمس إلى تسريع الجسيمات المشحونة في البلازما المحيطة بالغلاف التي ترتفع حرارتها لتصل عشرات الملايين كلفن، وتسرّع الجسيمات مثل الإلكترونات والبروتونات وأيونات أخرى لتبلغ سرعتها سرعة الضوء. تحدث في المناطق النشطة من الشمس، وغالباً حول البقع الداكنة المظهر على سطح الشمس. ينتج عن هذا انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي، الذي يمتص الغلاف الجوي العالي للأرض الجزء العالي الطاقة منه، ولا سيما الغلاف المتأين (الأيونوسفير، ارتفاعه بين 60 و 1000 كيلومتر)، ولا يصل إلى سطح الأرض. يمكن أن يؤدي هذا الامتصاص إلى زيادة تأين هذا الغلاف مؤقتاً مما قد يتداخل مع الاتصالات الراديوية قصيرة الموجة.

مقراب / تلسكوب جيمس ويب الفضائي

 

المرقاب في فترة تحضيره لوضعه على صاروخ الإطلاق

James Webb Space Telescope واختصاراً JWST . تتألف مرآته الأولية من 18 قطعة مرآة سداسية مصنوعة من البريليوم المطلي بالذهب، تشكل مع بعضها مرآة قطرها 6.5 متراً، أما مرآة سابقه هابل الأولية فكانت 2.4 متراً. كتلته نحو 6200 كيلوغرام. يعمل في نطاق تردد أقل من مناطق ترددات هابل، وسيكون ذلك في مجال الضوء المرئي الأحمر حتى منتصف الأشعة تحت الحمراء. وسيجعله هذا قادراً على مراقبة ورصد الأجسام القديمة والبعيدة جدا بما يسمح من التعرف إلى أحداث قديمة جرت في الكون ومراقبة مجرات بعيدة جداً. يحتاج إلى برودة كبيرة (دون 50 كلفن أي-223 درجة مئوية) لرصد الأشعة تحت الحمراء، لتجنب حرارة أجهزته أولاً. اختير كمقر له موضعٌ على الخط الواصل بين الشمس والأرض وعلى بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض لتجنّب الأشعة المنبعثة من الأرض وحجبه عن الشمس وحيث ينعدم تأثره بجاذبيتهما (نقطة لاغرانج). أطلق بواسطة صاروخ أريان نهاية عام 2021. هو مشروع مشترك بين الناسا الأمريكية ووكالتي الفضاء الأوروبية والكندية.

الصفر المطلق

ويخص الحرارة ودرجاتها. وهي أخفض درجة حرارة يمكن الوصول إليها، وهي تقابل النهاية السفلى لأي سلم قياس حرارة. وهي درجة حرارة نظرية لا يمكن الوصول إليها وإنما الاقتراب منها، ذلك أن درجة حرارة المادة المُبرَّدة تتقارب تدريجياً من المادة المُبرِّدة. وهذا الصفر يساوي -273.15 درجة سلسيوس. وتكون المادة عند هذه الدرجة في المستوى الأدنى من الطاقة الداخلية، وتتحول بعض المواد إلى مواد فائقة الناقلية (تنعدم مقاومتها الكهربائية ولا تتأثر بالحقل المغناطيسي)، أو يصبح بعضها فائقة العازلية (تصبح مقاومتها كبيرة للغاية) أو يصبح بعضها فائقة السيولة (لا لزوجة لها). اقترح اللورد كلفن عام 1848 سلماً لدرجة الحرارة المطلقة يكون فيه مقدار انخفاض درجة الحرارة المقاسة مطابقاً لانخفاض مماثل في حرارة الجسم المدروس، وبهذا يكون الصفر المطلق وكأنه درجة الحرارة التي لا يمكن عندها استخراج أية حرارة من أي جسم.

شرطا درجة الحرارة والضغط الجوي المعياريان

هما شرطان عمليان، واعتباطيان، في تجارب القياس في المخابر الفيزيائية والكيميائية. يسمحان بمقارنات بين نتائج التجارب التي أجريت في ظل هذين الشرطين المعياريين. شرط درجة الحرارة هو صفر مئوية (أو 273.15 كلفن)، والضغط هو 1013 ميلي بار، أي وسطي الضغط الجوي عند سطح البحر. وأحياناً يشار إلى الضغط على أنه 760 ميليمتر زئبقي (أي مكافئ لعمود من الزئبق ارتفاعه 760 ميليمتر) وهذان الشرطان ساريان في بعض دول العالم وليس كلها. ففي الصناعات البترولية تكون درجة الحرارة المعيارية هي 15 مئوية والضغط 760 ميليمتر زئبقي. وفي روسيا فدرجة الحرارة المعيارية هي 25 مئوية والضغط هو 769 ميليمتر زئبقي. أما في كوبيك في كندا فدرجة الحرارة هي 25 مئوية والضغط الجوي هو 101.3 كيلو باسكال (1013 ميلي بار يساوي 101325 باسكال). وشرطا الحرارة والضغط المحيطيان في الكيمياء فهما 25 درجة مئوية والضغط بمقدار 100 كيلو باسكال. وأياَ ما كان، فيجب معرفة قيم هذين الشرطين لتقدير نتائج تجارب ما.

جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1920

حصل عليها الألماني والتر هيرمان نيرنست (1864-1941) اعترافاً بأعماله في الكيمياء الحرارية. وهو فيزيائي وكيميائي قام بأعمال كثيرة في مجالات الكيمياء الكهربائية والترموديناميك وكيمياء الأجسام الصلبة وكذلك الكيمياء الضوئية. له معادلة تحمل اسمه في الكيمياء الكهربائية. عمل أستاذاً للكيمياء الفيزيائية في جامعة لايبزغ. اخترع عام 1898 مصباحاً كهربائياً باستخدام شريط معدني دقيق يتوهج بمرور تيار كهربائي فيه، وهو جد المصابيح الكهربائية المعروفة. وهو صاحب المبدأ الثالث في الترموديناميك والقائل بأن "أنتروبية البلور الكامل عند درجة الحرارة المطلقة صفر كلفن تكون معدومة". حصل على جائزة فرانكلين عام 1928، وأصبح عضواً في الجمعية الملكية البريطانية عام 1932. وهو أحد الموقعين الـ 93 على بيان عام 1914 القائل بكذب ادعاء ارتكاب الجيش الألماني لمجازر في بلجيكا.

النجم الأحمر الكبير

 

هو نجم مضيء بكتلة صغيرة أو متوسطة يتحول إلى نجم كبير في آخر تطوره السماوي. وعندما يصبح كبيراً جداً تنخفض حرارة سطحه بسبب ازدياد كبير في مساحة هذا السطح مما يجعله يبدو أحمراً. كتلته بين 0.3 و 8 مرات من كتلة الشمس. نضب هيدروجينه بالكامل إلا في قوقعة النواة حيث يتابع الاندماج الحراري النووي. أما قطره فهو بين عشرات ومئات مرات قطر الشمس. وبسبب حجمه الكبير يكون أكثر إضاءة من الشمس بالرغم من انخفاض حرارة سطحه التي تكون بين 3000 و 4000 كلفن. تتعلق تبدلات النجوم اللاحقة بكتلتها، فكلما كانت كتلتها كبيرة كان استهلاكها للهيدروجين أسرع. فالشمس تستغرق عشرة مليارات سنة قبل استهلاكها لهيدروجينها وانتقالها إلى نجم أحمر كبير، أما النجوم التي تكون كتلتها ضعف كتلة الشمس فتستهلك هيدروجينها خلال نصف مليار سنة قبل أن تتحول إلى نجم أحمر كبير.

الجليد

 

عبارة عن ماء في حالة صلبة. يتشكل عادةً عند درجة الصفر (273 كلفن) أو أقل بحسب وجود شوائب مثل جزيئات تربة أو فقاعات هوائية، يمكن أن يكون شفاف المظهر أو بلون أبيض مزرق. يوجد في المجموعة الشمسية بكثرة، وعلى كواكب أقرب للشمس من الأرض مثل عطارد، كما يمكن أن يكون في أماكن بعيدة مثل الأجسام الموجودة حزام غيوم أورت. كما يوجد فيما وراء النظام الشمسي فيما يعرف باسم ما بين النجوم على شكل حبيبات متجمدة. وهو موجود بكثرة على سطح الأرض لا سيما في المناطق القطبية ووراء خط الثلج (الخط الفاصل بين المناطق الدائمة الثلج وغيرها). يتساقط على شكل رقاقات ثلجية وبَرَد أو يحدث على شكل صقيع أو رقاقات جليدية أو نوازل جليدية. لبعض الأنهار والبحيرات وأجزاء من المحيطان أن تتجمد وأن تبقى كذلك لفترات طويلة مشكلة صفائح جليدية. معظم جليد الأرض هو بلورات سداسية وبعضه مكعب. الانتقال من الجليد إلى الماء هو الذوبان، ومن الجليد مباشرة إلى بخار الماء هو التسامي.

سادي كارنو

 

Sadi Carnot مهندس وفيزيائي فرنسي، ولد عام 1796 وتوفي بالكوليرا عام 1832. ألّف عام 1824 كتاباً وحيداً عنوانه "أفكار حول القدرة المحركة للنار حول الآلات الخاصة بتوليد هذه القدرة"، وهو من أهم كتب الفيزياء. ففيه أرسى أسس فرع جديد في الفيزياء هو الترموديناميك (التحريكية الحرارية)، وإن كانت هذه التسمية تعود للبريطاني ويليام تومسون (اللورد كلفن). صاغ بطريقة منطقية مفهوم المحرك الحراري والأسس التي صممت عليها لاحقاً محركات العربات والمحركات النفاثة. كان هذا من خلال محاولته لتحسين أداء الآلة البخارية التي سمحت له بتطوير أفكاره وإحداث نقلة نوعية في مجال الآلات الحرارية. انطلق فيها من تصور آلة مثالية، آلة كارنو، يمكنها تبادل الحرارة بسهولة دوريا بين جسم ساخن وآخر بارد. المحرك الحراري في دراسته يتألف فقط من اسطوانة مغلقة ممتلئة بمادة فاعلة مثل البخار أو الغاز، ومن مكبس يتحرك بلا احتكاك، ومن جسم ساخن، وآخر بارد مكافئ للمكثف. يؤكد كارنو على أن الفارق الحراري بين الجسمين هو الذي يحدد العمل الذي ينجزه المحرك.

النجم البرتقالي القزم

 

نجم أصفر من كوكبة الحوت، وفي اليمين نجم قزم أحمر من الكوكبة  
نفسها التي تبعد نحو 24 سنة ضوئية عن الأرض

وهو بين النجم الأحمر والنجم الأصفر لوناً. كتلته بين 0.5 و 0.8  من كتلة الشمس، ودرجة حرارة سطحه بين 3900 و 5200 كلفن. لهذه النجوم أهمية خاصة في احتمال أن يكون لبعض كواكبها قابلية تشكل الحياة عليها، فهي مستقرة من حيث دورة حياتها التي تتراوح بين 20 و 70 مليار سنة، أي ضعف حياة الشمس على الأقل. وهي صغيرة الحجم نسبياً ومن ثم فلديها الوقت الكافي لنمو الحياة على كواكبها. وكذلك لأن هذه النجوم تصدر أشعة فوق بنفسجية بأقل مما تصدره نجوم مثل الشمس. لهذه الأشعة أن تضر بالدي إن إي، ومن ثم توقف بزوغ الحمض الأميني الضروري للحياة. عددها أكثر بثلاث أو أربع مرات من النجوم الصفراء مثل الشمس مما يزيد من احتمال العثور على كواكب فيها حياة.

سرعة الصوت

 

وهي سرعة انتشار أمواج الصوت في مختلف الأوساط، من غازية وسائلة وصلبة، وليس في الهواء فقط حيث يمكن سماع الصوت عبر الأذن. تعتمد سرعة الصوت في كل ما هو سائل، بما في ذلك الغازات، على قابلية هذه الأوساط للانضغاط، أي تناقص حجمها بتأثير الضغط المطبق عليها. وتعتمد أيضاً على الكتلة الحجمية للوسط الذي ينتشر فيه الصوت. ولا تعتمد عملياً على تردد الصوت ولا على شدته. وفي الغازات ذات الضغط المماثل للضغط الجوي تُستنج سرعة الصوت من العلاقة: سرعة الصوت= 20.05 x الجذر التربيعي لدرجة الحرارة مقدرة بالكلفن. فعند الدرجة 15 مئوية، تكون درجة الحرارة 15+273.15= 288.15 كلفن، ومن ثم فإن سرعة انتقال الصوت عند شاطئ البحر تساوي إلى 340 متراً في الثانية، أي 1224 كيلومتر في الساعة. أما في الماء فيكون الانتقال أسرع بأربع مرات، أي نحو 1500 متراً في الثانية، وفي الحديد اللين فتكون من نحو 5960 متراً في الثانية.

جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1949

 فاز بها الأمريكي الكندي المولد يليام فرانسيس جياوك Giauque (1895-1982) وذلك لدراساته في خصائص المادة عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. قضى كل حياته التعليمية والمهنية تقريباً في جامعة بيركلي في كاليفورنيا، حيث أصبح مدرساً للكيمياء عام 1922. اهتم بالقانون الثالث للترموديناميك (القائل بأن للجسم المماثل للجسم البلوري الكامل أنتروبية تساوي الصفر عند الصفر المطلق) وذلك بهدف إثبات طبيعية القانون الثالث هذا. اقترح في عام 1926 طريقة لرصد درجات حرارة أقل بكثير من 1 كلفن. طور جهاز تبريد مغناطيسي لتحقيق هذا الغرض، واقترب من الصفر المطلق بأكثر، وهو أمر كان يعتقد العديد من العلماء بعدم إمكانيته. أدى ذلك إلى إثبات أحد القوانين الأساسية للطبيعة، وفي المجال التطبيقي إلى فولاذ أقوى وبنزين أفضل وعمليات أكثر كفاءة في مجموعة من الصناعات. تمكن بنتيجة أبحاثه وبالتعاون مع آخرين على اكتشاف نظائر الأكسجين 17 و 18.

فيزياء وهندسة الحرارة المنخفضة جداً

النتروجين (الآزوت) السائل

أي إنتاج الحرارة المنخفضة جداً ودراسة خواص المواد عند هذه الحرارة، وتسمى بالإنكليزية Cryogenics. وهذه الحرارة هي لدرجات أقل من 150 درجة تحت الصفر، أو نحو 123 كلفن. وهي الدرجة التي يكون عندها الهواء سائلاً. ذلك أن الهواء يصبح سائلاً عند درجة حرارة -153 مئوية. لها تطبيقات كثيرة في مجالات مختلفة. منها حفظ الأطعمة مباشرة دون الإساءة إليها، وذلك باستخدام الآزوت السائل (قرابة -200 درجة مئوية). وكذلك حفظ الخلايا بالتبريد، حيث تتوقف الحركة فيها إلى أن يتوقف التبريد وتعود لتتابع نموها. ودراسة الناقلية الفائقة حيث تنعدم المقاومة الكهربائية والحقل المغناطيسي داخل المادة، وهذا أمر يساعد في التصوير الطبي وتسريع الجسيمات والاندماج النووي المُسيطر عليه. وكذلك السيولة الفائقة حيث تنعدم اللزوجة. وكذلك تحويل المواد أياً كانت إلى مساحيق ناعمة. ومعالجة بعض الأمراض الجلدية عن طريق إطلاق كريات دقيقة جداً من الجليد الكربوني المبرد (-80 درجة مئوية) الذي يؤدي إلى التئام الجراح الجلدية الدقيقة.

الإشعاع الشمسي

 

هو مجموعة الأمواج الكهرومغناطيسية الصادرة عن الشمس. يتألف من طيف من الإشعاعات بدءاً من فوق البنفسجي البعيد مثل أشعة غاما والأشعة السينية (بنسبة 1%) والأشعة تحت الحمراء حتى الأشعة الميكروية والأشعة الراديوية ( بنسبة 49% تقريباً) مروراً بالأشعة المرئية (بنسبة 50% تقريباً). يمكن نمذجة إصدار هذه الأشعة على شاكلة إصدار جسم أسود درجة حرارته 5800 كلفن، ومن ثم فيمكن وصفها بعلاقة بلانك القائلة بأن طيف هذه الأشعة يتناسب ودرجة حرارة الجسم المُصْدر. الإصدار الأشد يكون عن اللون الأخضر (بطول موجة يساوي 504 نانومتر) تتضمن أيضاً الأشعة الكونية لجسيمات وذرات (بروتونات بنسبة 88% وهيليوم بنسبة 9%) ذات سرعات وطاقات عالية جداً، وهي أشعة تجري في الوسط الكائن بين النجوم. جزء من هذه الأشعة تحجبها طبقة الأوزون في الغلاف الجوي الأرضي. وما يصل إلى الأرض يتغير بحسب المكان والفصول (ميل الأشعة على سطح الأرض) والزمن عبر التاريخ وبحسب النشاط الشمسي. وهي ضرورية للحياة على الأرض عبر عملية التركيب الضوئي.

النجم القزم الأبيض

هو جسم سماوي ينتج عن نجم أول تتراوح كتلته بين 3 إلى 4 مرات كتلة الشمس، وذلك بعد مرحلة التفاعلات النووية الحرارية في النجم الأول. ولهذا النجم حجم صغير جداً مقارنة بأي نجم، ويحتفظ بحرارة سطحية عالية لمدة طويلة، ومنه جاءت تسميته الأبيض القزم. كتلته تقارب كتلة الشمس ولكن حجمه يقارب حجم الأرض. أي أن كثافته عالية وتبلغ طناً للسنتيمتر مكعب. تزيد درجة حرارة سطحه عن مائة ألف كلفن، كانت مخزنة في النجم الأول وتبقى فيه بسبب التقلص الكبير لمساحة سطحه. أما إضاءته فتتراجع لنحو جزء من ألف من إضاءة النجم الأول. أمكن في عام 2009 الكشف عن ثمانية نجوم قزمة بيضاء ضمن نحو مائة نظام شمسي مشابهة لنظامنا الشمسي. وبما أن 96% من نجوم درب التبانة هي من مرتبة الشمس أو أضعافها، أي ليس لها أن تتحول إلى نجوم نترونية، فإن مصير هذه النجوم هو التحول إلى نجوم قزمة بيضاء. 

جيمس بريسكوت جولJames Joule

 

فيزيائي بريطاني (1818-1889). درس طبيعة الحرارة واكتشف قانون العمل الميكانيكي (الطاقة التي تقدمها القوة أثناء تحرك نقطة تأثيرها). قاده ذلك إلى نظرية انحفاظ الطاقة ( أو القانون الأول في الترموديناميك) وهو المبدأ القائل بأن الطاقة الإجمالية لجسم معزول لا تتغير مع مرور الوقت، أي أن الطاقة تتحول من شكل إلى آخر (من حراري إلى ميكانيكي مثلاً) دون أن يكون من ولادة طاقة إضافية أو اختفاءها. أجرى تجربة في هذا الخصوص تحمل اسمه مفادها مزج سائل بواسطة قوة ميكانيكية معروفة ومن ثم قياس التغير في درجة حرارة السائل. كما أنه عبّر عن العلاقة بين التيار الكهربائي الذي يمر عبر مقاومة كهربائية والحرارة المتولدة عن ذلك، وهذا ما عُرف منذ القرن العشرين بقانون جول. كما عمل مع اللورد كلفن على تطوير سلم قياس الحرارة المطلق. أصبح عام 1850 عضواً في الجمعية الملكية وحصل على جائزتها عام 1852، وحصل عام 1870 على ميدالية كوبلي. تحمل وحدة الطاقة وكمية الحرارة اسمه (الجول) في وحدات القياس الدولية.