الفيزياء

نشاط عملي يوّضح كيفية صنع ميزان حرارة

2011 تجارب علمية الحرارة والطاقة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

ميزان حرارة كيفية صنع ميزان حرارة الفيزياء

الأهداف

1- اكتشاف الطريقة التي تتمدد وتتقلص فيها السوائل عند تبريدها وتسخينها.

2- صنع ميزان حرارة واستخدامه لقياس التغيرات التي تطرأ على درجات الحرارة.

 

الأدوات التي تحتاجها

1- ماء وقطع جليد

2- كحول تعقيم

 

3- قارورة زجاجية شفافة ذات عنق ضيّق أو إناء زجاجي

4- قمع

 

5- كوب قياس

6- ملونات طعام

 

7- مصاصة شراب من البلاستيك الشفاف

8- صلصال اللعب

 

9– ورق أبيض وشريط لاصق

10- قلم ومقص

 

خطوات العمل

1- صب مقدارين متساويين من الكحول والماء البارد. استخدم القمع لصب السوائل في القارورة. املأ القارورة حتى أعلاها.

2- أضف قطرات قليلة من الملوِّن الغذائي (أي لون) إلى القارورة، ثم رجّ القارورة كي تختلط السوائل مع بعضها.

3- اطلب مساعدة أحد الكبار لصنع ثقب في غطاء القارورة، ثم أدخل المصاصة البلاستيكية بحيث تنغمس في السائل. سد أطراف المصاصة بالصلصال كي لا تتحرك من مكانها.

4- قصّ قطعة من الورق ثم الصقها على المصاصة البلاستيكية.

5- عندما تبلغ درجة حرارة السائل درجة حرارة الغرفة، سيرتفع هذا السائل في المصاصة نحو الأعلى. ضع علامة على الورقة تبيّن من خلالها مستوى السائل في المصاصة: «درجة حرارة الغرفة».

6- ضع ميزان الحرارة في إناء زجاجي مدرّج (دورق) يحتوي على ماء ساخن. عندما يرتفع السائل ضع إشارة لمنسوب الماء على الورقة واكتب عبارة «ماء ساخن».

7- ضع ميزان الحرارة في إناء زجاجي يحتوي على الماء وقطع الجليد لدقائق قليلة. ضع إشارة على الورقة تبين فيها مستوى السائل واكتب عليها «ماء بارد».

يستخدم العلماء المعايرة لوصف عملية كتابة التدريج على ميزان حرارة دقيق القياس.

وكي تستخدم ميزان الحرارة الذي صنعته بنفسك لقياس درجات الحرارة على نحو دقيق، ستحتاج إلى وضع التدريجات عليه.

 

وضع التدريجات من خلال المقارنة

إن إحدى الطرائق التي يمكن أن نضع التدريجات على ميزان الحرارة من خلالها هي مقارنته بميزان حرارة آخر دقيق.

خذ ميزان حرارة اشتريته من أحد المتاجر المتخصصة وضعه إلى جانب ميزان الحارة الذي قمت بصنعه لمدة 30 دقيقة، وبعد انتهاء هذه الفترة ينبغي أن يكون السائل في ميزاني الحرارة عند درجة الحرارة ذاتها.

ضع تأشيرة درجة الحرارة نفسها الموجودة على ميزان الحرارة الذي اشتريته من المتجر على ميزان الحرارة الذي صنعته عند مستوى السائل في المصاصة البلاستيكية.

 

ضع كلا الميزانين في الثلاجة، وبعد 30 دقيقة ضع إشارة على مستوى السائل في ميزانك كما من قبل. كرر هذه الخطوة في إناء يحتوي على ماء ساخن، وآخر يحتوي على قطع جليد بدأ بالانصهار للتو.

إن ميزان الحرارة الذي صنعته بنفسك أصبح الآن معايَراً من خلال وضع عدة درجات حرارة معروفة بصورة دقيقة.

 

المعايرة القياسية عن طريق المعرفة

هناك طريقة أخرى تستطيع من خلالها وضع تدريج معياري على ميزان الحرارة الذي قمت بصنعه، وذلك باستخدامه لقياس شيء تكون درجة حرارته معلومة لديك مسبقاً.

إن درجة انصهار الجليد، على سبيل المثال، هي دائماً 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية).

 

وبعد وضع ميزانك في إناء يحوي جليداً منصهراً لمدة نصف ساعة فإن مستوى السائل في المصاصة البلاستيكية سيمثّل درجة الحرارة عند ذلك المستوى.

وبإمكانك أيضاً أن تستخدم درجة حرارة جسمك في عملية معايرة القياس. ضع كلتا يديك حول القارورة وأمسكها لعدة دقائق، ثم ضع علامة مستوى السائل على الورقة على أنه 98 درجة فهرنهايت (37 درجة مئوية) أو 98.6 درجة فهرنهايت كي نكون أكثر دقة.

 

اخترع مقياسك بنفسك

تستطيع أن تعاير القياس على ميزان الحرارة الذي صنعته من خلال ابتكار درجات القياس الخاصة بك. اختر درجتي حرارة معروفتين، مثل درجة تجمد الماء ودرجة حرارة جسمك.

كما هو الحال في المتابعة السابقة. ثم قسّم المسافة بينهما بإشارات متساوية الأبعاد. تستطيع أن تصنع 20 أو 50 إشارة أو حسبما

تختار من تقسيمات. أطلق بعد ذلك على المقياس الذي اخترعته اسمك أنت.

 

تحليل

إن مقياس الحرارة الذي صنعته بنفسك يستخدم مزيجاً من الكحول والماء، وهذا المزيج يتجمد عند درجة حرارة أخفض من الماء غير الممزوج، لذلك تستطيع قياس درجات حرارة تحت درجة تجمد الماء.

وباستطاعتك أن تستخدم الماء وحسب في ميزانك، لكنه في هذه الحالة سيتجمد عند درجات حرارة دون 32 درجة فهرنهايت (0 درجة مئوية).

لكن الميزان الذي يستخدم مزيج الماء والكحول سيغلي تحت درجة 212 فهرنهايت (100 درجة مئوية)، أي عند درجة غليان الماء، ولهذا السبب لا يمكن أن يُستخدم لقياس درجات الحرارة بهذا الارتفاع.

 

لقد بذل العلماء جهوداً حثيثة من أجل وضع موازين نافعة لقياس درجات حرارة توازي جهودهم في تصنيع موازين حرارة صالحة للاستعمال والاستثمار.

وما زال مقياس (فهرنهايت) يستعمل على نطاق واسع في الوقت الحاضر. لقد أراد (فهرنهايت) أن تكون درجة الصفر في مقياسه أدنى من درجة تجمد الماء كي يصبح بالإمكان التعبير عن درجات الحرارة المنخفضة في فصل الشتاء من دون الحاجة إلى استخدام أرقام سالبة.

لذا فقد وضع درجة «صف فهرنهايت» (F°0) عند درجة الحرارة المرتبطة بمزيج من الجليد والملح، وهي درجة أكثر برودة من الجليد وحده، وقد أطلق على درجة انصهار الجليد "32 درجة فهرنهايت"، ودرجة غليان الماء "212 درجة فهرنهايت".

 

اخترع العالم السويدي (أندريه سلسيوس) (1701 – 1744) ميزاناً درجة تجمد الماء فيه 100 درجة مئوية والغليان درجة صفر مئوية (C°0)، لكن العلماء الذين جاؤوا بعده عكسوا هاتين الدرجتين.

كان يُطلق على هذا المقياس في البداية ميزان الحرارة المئوي، أي الذي يتالف من 100 درجة، ثم أطلق عليه لاحقاً مقياس "سلسيوس".

يستخدم العلماء مقياس سلسيوس إضافة إلى المقياس "الديناميكي الحراري" ذي الدرجات المطلقة، وجرى تطوير هذا الميزان الحراري على يد العالم الإنكليزي (لورد كلفن) (1824 – 1907).

 

وقد استخدم (كلفن) درجات مشابهة من حيث القياس لتدريجات  (سلسيوس)، غير أنه ابتدأ مقياسه بدرجة الصفر المطلق، وهي أدنى درجة حرارة يمكن أن تصلها أي مادة عندما تكون كل ذرّاتها في وضع الاستقرار تقريباً.

أما درجة الصفر المطلق فهي 459.67 – درجة فهرنهايت (273.15-) درجة مئوية. وعلى مقياس "كلفن" الأصلي أُطلق على درجة الصفر المطلق (KْO).

وقد أُعيدت تسمية المقياس المستخدم الآن بميزان كلفن (K). ويُشار إلى درجة الصفر المُطلق بـ (Kْ0) ودرجة تجمد الماء بـ (K273.15).

 

درجات حرارة مرتفعة

لا يمكن قياس درجات الحرارة المرتفعة جداً بواسطة السائل الموجود داخل موازين حرارة زجاجية لأنها ستتحطم أو تنصهر.

يمكن استخدام موازين الحرارة الزئبقية لقياس درجات الحرارة حتى درجة غليان الزئبق (674 درجة فهرنهايت/ 357 درجة مئوية).

 

تعتمد إحدى الطرق التي يقيس العلماء بواسطتها درجات الحرارة العالية، مثل درجة حرارة النجوم، على استخدام جهاز البيرومتر البصري (مقياس درجة الحرارة العالية فوق 500 درجة مئوية).

يقارن هذا الجهاز لون الضوء المنبعث من النجم مع لون الضوء المنبعث عن المصباح عند درجة حرارة معينة.

 

ما العمل لو أن السائل لم يرتفع لمسافة عالية داخل المصاصة البلاستيكية؟

ينبغي أن يكون السائل أبرد ما يمكن في بداية التجربة لكي يتمدد إلى درجة كبيرة عندما يصل عند درجة حرارة الغرفة.

وإذا لم يكن ماء الصنبور بارداً بالحد الكافي بإمكانك استعمال مزيج الماء والكحول بعد تبريده في الثلاجة قبل فترة من بدء التجربة.

وإذا أضفت كمية قليلة عبر المصاصة البلاستيكية، بعد أن أحكمت سدّ القارورة، ستجد أن ذلك سيساعد على إنجاز التجربة.

 

نصائح للسلامة

إن كحول التعقيم مأمون عند ملامسته اليدين، لكنه خطر جداً إذا شربناه، كما أن استنشاقه يمكن أن يسبب الدُوار في بعض الأحيان، لذلك ينبغي لك أن تبقيه بعيداً عن فمك وعينيك وأنفك في جميع الأوقات.