درجة الحرارة هي الطاقة التي يتم قياسها باستخدام أداة تسمى “مقياس الحرارة” (thermometer)، والتي تأتي من الكلمتين اليونانيتين “thermos” (ساخن) و”metron” (قياس).
ويوجد تعريف آخر لدرجة الحرارة، وفقا لـجامعة ولاية جورجيا، وهو أنها مقياس لمتوسط “الطاقة الحركية” (kinetic energy)، طاقة الكتلة المتحركة لجزيئات المادة.
ويمكن قياس شدة الحرارة، أو مقدار الطاقة الحرارية الموجودة في مادة أو وسط ما مثل الهواء، أو قدر من الماء، أو سطح الشمس باستخدام خطوط الأساس التي اختارها العلماء.
ويوجد 3 أنظمة شائعة الاستخدام لقياس درجة الحرارة وهي “فهرنهايت وسيلزيوس المئوية وكلفن”.
ووفقا لتقرير صدر عام 2019 في دورية “نيتشر بابلك هيلث إيمرجنسي كوليكشن” (Nature Public Health Emergency Collection)، فقد زعم أن الطبيب اليوناني القديم أبقراط علّم أنه يمكن استخدام اليد البشرية للحكم على وجود الحمى لدى شخص ما منذ 400 عام قبل الميلاد، ومع ذلك، لم يتم تطوير أدوات دقيقة لقياس درجة حرارة جسم الإنسان حتى القرنين الـ16 والـ17 الميلاديين.
كان مقياس فهرنهايت أول مقياس درجة حرارة موحد يتم استخدامه على نطاق واسع (مواقع إلكترونية)
فهرنهايت.. أول مقياس حرارة دقيق
في عام 1714، كشف “دانييل غابرييل فهرنهايت” -الفيزيائي الهولندي المولد والمخترع وصانع الأدوات العلمية- عن مقياس حرارة يعتمد على الزئبق. والزئبق معدن سائل يتمدد ويتقلص بناء على درجة الحرارة المحيطة.
عندما وضع فهرنهايت الزئبق في أنبوب مغلق مميز بمقياس مرقم، رأى الزئبق يرتفع وينخفض عندما تعرض لدرجات حرارة مختلفة. وكان هذا أول مقياس حرارة عملي ودقيق معروف في العالم، وفقا لـ”الجمعية الملكية” (The Royal Society) في المملكة المتحدة.
استند فهرنهايت في اختراعه إلى مقياس الحرارة الذي يعتمد على الكحول للعالم الدانماركي “أوليه رومر”.
وصف رومر مقياس درجة الحرارة الخاص به بـ”علامة الصفر” حينما يتجمد المحلول الملحي، و60 درجة عند نقطة غليان الماء.
إلا أن مقياس حرارة فهرنهايت كان أكثر دقة. فقد استخدم نفس النقاط المرجعية لحالة التجمد والغليان على مقياس رومر، لكنه ضاعف المقياس زيادة في الدقة. لتصبح النقاط المرجعية الأربع على مقياس فهرنهايت هي صفر عند درجة حرارة التجمد لمحلول ملحي، و30 عند نقطة تجمد الماء العادي، و90 وهي درجة حرارة الجسم، و240 وهي نقطة غليان الماء.
نشر فهرنهايت ورقة تصف مقياسه في دورية “فيلوسوفيكال ترانزاكشز” (Philosophical Transactions) في عام 1724.
وفي نفس العام، تم ضم فهرنهايت إلى الجمعية الملكية، الأكاديمية الوطنية للعلوم في المملكة المتحدة، وقد نتج عن زمالة الجمعية الملكية قبول خاص لمقياس الحرارة الخاص بفهرنهايت في إنجلترا، وبالتالي أيضا في أميركا الشمالية والإمبراطورية البريطانية لاحقا.
ويشار إلى نظام قياس فهرنهايت أحيانا كجزء من النظام الإمبراطوري البريطاني، لأنه سافر حول العالم مع الإمبراطورية البريطانية في ذلك الوقت.
وبعد وفاة فهرنهايت في عام 1736، تمت إعادة معايرة مقياس فهرنهايت لجعله أكثر دقة قليلا. حيث تم تحديد نقاط التجمد والغليان الدقيقة للماء العادي بدون الملح عند 32 و212 درجة فهرنهايت على التوالي. كما تم تحديد درجة حرارة جسم الإنسان الطبيعية عند 98.6. ويتم التعبير غالبا عن درجات الحرارة بالفهرنهايت كرقم متبوعا بـ (℉) أو ببساطة “إف” “F”.
موازين الحرارة الزئبقية دقيقة وقد تم استخدامها منذ القرن الـ18 (غيتي)
سيلزيوس.. مقياس أكثر علمية
كتب أولوف بيكمان عالم فيزياء الحالة الصلبة بجامعة “أوبسالا” في السويد “يجب الاعتراف بأن أندرس سيلزيوس هو أول من أجرى ونشر تجارب دقيقة تهدف إلى تعريف مقياس درجة حرارة دولي على أسس علمية”.
وقد كان سيلزيوس عالم فلك سويدي ويُنسب إليه اكتشاف العلاقة بين الشفق القطبي والمجال المغناطيسي للأرض، بالإضافة إلى طريقة لتحديد درجة سطوع النجوم، وفقا لـ”مختبر المجال المغناطيسي الوطني” (National High Magnetic Field Laboratory) الأميركي.
ففي عرض تقديمي للأكاديمية الملكية السويدية للعلوم في عام 1742، اقترح سيلزيوس مقياسا يعتمد على نقطتين ثابتتين، الصفر كنقطة لغليان الماء و100 كنقطة لتجمد الماء. إلا أنه بعد وفاة سيلزيوس في عام 1744، اقترح كارل لينيوس عالم التصنيف السويدي الشهير تبديل النقاط الثابتة، حيث يشير صفر إلى نقطة تجمد الماء وتشير 100 إلى نقطة الغليان، وتم تمديد المقياس أيضا ليشمل الأرقام السالبة.
أطلق سلزيوس على مقياسه في البداية “درجة مئوية” (Centigrade) وهي مشتقة من اللاتينية (Centi) وتعني “مئة” و(grade) وتعني درجة، وذلك لأن هناك مئة نقطة بين الماء المتجمد والغليان. إلا أنه في عام 1948 قام مؤتمر دولي حول الأوزان والمقاييس بتغيير الاسم إلى “سيلزيوس” (Celsius) تكريما لأندرس سيلزيوس، وفقا لـ”المعهد الوطني الأميركي للمعايير والتكنولوجيا” (NIST).
ويمكن التعبير عن درجات الحرارة في مقياس سلزيوس في صورة عدد من الدرجات متبوعة بالرموز (℃)، أو ببساطة “سي” (C).
وللمقارنة بين مقياس سيلزيوس وفهرنهايت سنجد أن مقياس سيلزيوس لديه 100 درجة بين غليان الماء وتجمده، بينما مقياس فهرنهايت لديه 180 درجة بينهما. وهذا يعني أن الدرجة المئوية الواحدة على مقياس سيلزيوس تساوي 1.8 درجة على مقياس فهرنهايت. إلا أنه عند درجة حرارة -40 درجة، يكون لكلا المقياسين نفس القيمة؛ -40 درجة مئوية = -40 درجة فهرنهايت.
اقترح عالم الرياضيات البريطاني وليام طومسون -المعروف باسم اللورد كلفن- مقياس درجة حرارة مطلقة (مواقع إلكترونية)
كلفين.. مقياس مطلق للعلماء
في عام 1848، اقترح عالم الرياضيات والعالم البريطاني وليام طومسون -المعروف أيضا باسم اللورد كلفن- مقياس درجة حرارة مطلقة، والذي كان مستقلا عن خصائص المادة مثل الجليد أو جسم الإنسان.
واقترح أن نطاق درجات الحرارة المحتملة في الكون يتجاوز بكثير تلك التي اقترحها سيلزيوس وفهرنهايت.
وفقا للمعهد الوطني الأميركي للمعايير والتكنولوجيا، لم يكن مفهوم الحد الأدنى لدرجة الحرارة المطلقة جديدا، لكن كلفن تمكن من وضع رقم دقيق له، صفر كلفن يساوي -273.15 درجة مئوية.
تقول جوليا شيرشليغت:
الخبيرة في قياس الضغط والفراغ في المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا بالولايات المتحدة لموقع “لايف ساينس” (Live Science) إن “درجة الحرارة الديناميكية الحرارية” (Thermodynamic temperature) تختلف عن درجات الحرارة القائمة على نقاط التجمد والانصهار للسوائل.
وتضيف..
“درجة الحرارة الديناميكية الحرارية مطلقة، وليست نسبة إلى النقاط الثابتة. إنها تصف كمية الطاقة الحركية التي تحتويها الجسيمات التي تشكل كتلة من المادة، والتي تتأرجح وتهتز على مستويات شبه مجهرية”. فـ”مع انخفاض درجة الحرارة، تتباطأ الجسيمات حتى تتوقف كل الحركة عند نقطة ما. هذا هو الصفر المطلق، وهو معيار مقياس كلفن”. يحدث الصفر المطلق عند −273.15 درجة مئوية أو 459.67 فهرنهايت.
بالنسبة لكلفن، كان الصفر المطلق هو المكان الذي يجب أن يبدأ فيه مقياس درجة الحرارة، ولكن للسهولة استخدم العلامات والفواصل الموجودة في مقياس سيلزيوس كقاعدة لمقياس درجة الحرارة الخاص به. على هذا النحو، في مقياس كلفن، يتجمد الماء عند 273.15 كلفن، أو صفر درجة مئوية ويغلي عند 373.15 كلفن، أو 100 درجة مئوية.
يشار إلى كلفن واحد على أنه وحدة، وليس درجة كما في مقياس سيلزيوس، والوحدة تساوي درجة واحدة على مقياس سيلزيوس.
ويفضل العلماء استخدام مقياس كلفن بشكل أساسي. وفي عام 2018، أعيد تعريف مقياس كلفن لجعله أكثر دقة، وفقا لورقة بحثية في دورية “ميترولوجيا” (Metrologia)، وأصبح تعريفه الآن مرتبطا بـ”ثابت بولتزمان” (Boltzmann constant) الذي يربط درجة الحرارة بالطاقة الحركية داخل المادة.
يوجد 3 أنظمة شائعة الاستخدام لقياس درجة الحرارة وهي “فهرنهايت وسيليزيوس وكلفن” (شترستوك)
ما المقياس الأفضل والأكثر دقة؟
يمكن أن يختلف أفضل مقياس لقياس درجات الحرارة اعتمادا على الظروف، أو المجتمع الذي تشارك معه المعلومات. تاريخيا، يستخدم الأميركيون مقياس فهرنهايت للحياة اليومية، بما في ذلك الطقس والطبخ، لكن معظم البلدان تستخدم مقياس سيلزيوس، لذلك من الأفضل استخدام هذا المقياس أثناء التواصل دوليا.
تقول شيرشليغت “الدقة ليست في الحقيقة سمة من سمات المقياس”. بدلا من ذلك، تعتمد دقة القياس على الزيادات المعطاة بواسطة مقياس الحرارة المستخدم، وتقنية الشخص الذي يستخدمه.
وتضيف “يمكن قياس الرقم بدقة اعتباطية على أي مقياس. لكن كلفن فقط هو الذي يعتمد على الفيزياء، مما يعني أنه المقياس الأكثر دقة”.
ويمكن معايرة مقياس كلفن -الذي يعتمد على الخصائص الفيزيائية لأي غاز- بدقة في أي مكان في الكون باستخدام المعدات المناسبة والثابت الشامل. لهذا السبب يفضل العلماء غالبا استخدام مقياس كلفن في تجاربهم.
المصدر: لايف ساينس + مواقع إلكترونية + التأمل
