العلاقة بين درجة الحرارة والضغط

بواسطة: - آخر تحديث: ٠٨:٥٠ ، ١٠ نوفمبر ٢٠١٩
العلاقة بين درجة الحرارة والضغط

الضغط

يعرف الضغط فيزيائيًا بأنه مقدار القوة التي تؤثر في مساحة معينة أو سطح معين، ويعد تعبيرًا قياسيًا فيزيائيًا يستخدم للسوائل والغازات والأجسام الصلبة ضمن معادلات رياضية، وهو القوة التي تمارس الدفع على سطح الاجسام لكل وحدة مساحة، وتوجد عدة أنواع من الضغط وهي؛ الضغط الجوي، والضغط المطلق، والضغط التفاضلي والضغط المُقاس، ورياضيًا يُعبر عنه بالمعادلة التالية: الضغط = القوة × المساحة، P=FxA، وتشير الرموز p إلى الضغط، F إلى القوة العمودية، وA إلى المساحة، والوحدة المستخدمة هي باسكال أو (نيوتن/ متر2). ويقترن الضغط بالحجم دائمًا، وهو من الإحداثيات الأساسية في الديناميكية الحرارية.[١]


العلاقة بين درجة الحرارة والضغط

توجد علاقة مباشرة بين الضغط ودرجة الحرارة، وهي علاقة طردية فعندما يزداد الضغط تزداد درجة الحرارة والعكس صحيح، فعندما ينخفض الضغط تنخفض درجة الحرارة، أما عن تأثير الحرارة على المادة والقياسات الفيزيائية فلا بد من شرح آلية اكتساب الجزيئات والذرات للحرارة، وبالإمكان توليد الحرارة عبر العديد من الطرق منها:[٢]

  • تفاعلات الاحتراق الكيميائية: تنطوي معظم التفاعلات الكيميائية على كسر وتشكيل الروابط الكيميائية، وتحتاج الطاقة لكسر الرابطة الكيميائية وتحرر الطاقة عندما تشكل الروابط الكيميائية، فإذا إطلقت طاقة أكثر من استهلاكها فإن التفاعل الكيميائي يطرد الحرارة ويقال إنه طارد للحرارة، في حين أنه إذا كان التفاعل يستهلك طاقة أكثر مما يطلقه يمتص التفاعل الحرارة ويقال أنه ماص للحرارة، وإجمالا معظم التفاعلات تصنف على أنها تفاعلات طاردة للحرارة، ويمكن تقدير كمية الحرارة الناتجة عن التفاعل، كما تُعرف الكمية التي تحدد الحرارة باسم المحتوى الحراري، فإذا كان موجبًا يكون التفاعل ماصًا للحرارة، وإذا كان سالبًا يكون طاردًا للحرارة.[٣]
  • التفاعلات النووية أو الانشطار النووي: الانشطارالنووي ينتج طاقة عن طريق تفاعلات الانشطار من ذرة اليورانيوم 236 لتوليد الحرارة التي ثم تحول إلى طاقة من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية، إذ تفقد كمية صغيرة من الكتلة وتحول هذه الكتلة إلى طاقة.[٤]
  • التبدد الكهرومغناطيسي والاحتكاك في المولدات الكهربائية أو الميكانيكية: يحدث الاحتكاك عند انزلاق جسمين صلبين ضد بعضهما البعض، ويكون ذلك من خلال مجموعة متنوعة من الآليات داخل وحول منطقة الاتصال الحقيقية بين الأجسام المنزلقة، ويعتمد ذلك على الاختلافات في سرعة الاحتكاك بين الأجسام، ومن خلال هذه العمليات تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة داخلية أو حرارة، وتسبب درجة حرارة الأجسام زيادة في الانزلاق.[٥]


تأثير درجة الحرارة على الضغط

توجد علاقة وطيدة بين درجة الحرارة والضغط، إذ يتأثر الضغط بتغير درجات الحرارة، وفيما يأتي بعض الأمثلة المتعلقة به:[٦]

  • الغازات المحبوسة: بما أن درجة الحرارة تزيد من الطاقة الحركية للجزيئات، فإن هذه الزيادة في الطاقة الحركية تجعل جزيئات الغازات المحبوسة تتحرك بسرعة وترتطم بالأسطح التي تواجهها مما يؤدي إلى زيادة الضغط، وهذه الظاهرة موجودة في بعض أواني الطهي المضغوطة التي تساعد على نضج الطعام بصورة أسرع.
  • الغازات الطليقة في الجو: يمكن القول بأنها تعني الضغط الجوي، وهي القوة لكل وحدة مساحة تمارس بواسطة وزن عمود الهواء في الغلاف الجوي؛ أي الجسم بالكامل من الهواء فوق المنطقة المحددة وإن قصدنا الغازات في الهواء الطلق، والعلاقة بين الضغط الجوي والحرارة هي علاقة عكسية، أي كلما زادت درجة الحرارة يقل الضغط الجوي، وكلما قلت درجة الحرارة ومالت للبرودة ويزداد الضغط الجوي، والأمر يعود إلى كثافة جزيئات الهواء في عمود الهواء المؤثر على مساحة معينة وعدد جزيئات الهواء، فتوجد المزيد من الجزيئات لممارسة قوة على هذا السطح وبالتالي يزيد الضغط، والعكس صحيح أيضًا، إذ يؤدي انخفاض عدد جزيئات الهواء فوق السطح إلى انخفاض الضغط.،يوقاس الضغط الجوي بآداة تسمى البارومتر، وبالتالي فإنه عندما تكسب الجزيئات طاقة حرارية تختزل بها وتتحول إلى حركية، فتتباعد الجزيئات عن بعضها البعض في الفضاء المفتوح على عكس ما يحدث في حيّز مغلق، فيكون عمود الهواء فوق تلك المساحة ذو عدد أقل من الجزيئات بحيث تتحرك تلك الجزيئات التي كسبت الطاقة الحركية عن طريق اختزال الحرارة إلى أماكن أخرى مغادرة عمود الهواء، وبالتالي يصبح وزنه أقل من عمود آخر أكثر برودة تكون فيه الجزيئات متقاربة جداً من بعضها البعض وكثيفة فوق المساحة ذاتها.[٧]
  • ضغط السوائل: يمكن للسوائل أن تمارس الضغط، ويعتمد ضغط السوائل على عمق النقطة التي يقاس عندها الضغط بغض النظر عن الحجم، ولا يقتصر الأمر على وزن السوائل التي تمارس الضغط، ولكن وزن الغازات يمارس ضغطًا أيضًا. وتتكون السوائل من ذرات وجزيئات متلاصقة أكثر لكنها تتحرك، فعندما يكتسب السائل الحرارة يتحرك وتهبط الجزيئات ذات الحرارة الأقل وتصعد الجزيئات ذات الحرارة الأعلى حتى تصل درجة الغليان وتتبخر، وعندها ينطبق عليها قوانين الغازات.[٨]


كيفية إنتاج الطاقة الحرارية

تنتج الطاقة الحرارية عن طريق حركة جزيئات صغيرة تسمى الذرات أو الأيونات أو الجزيئات في المواد الصلبة والسوائل والغازات، ويمكن نقل الطاقة الحرارية من جسم أو كائن إلى آخر، ويسمى النقل أو التدفق الناتج عن اختلاف درجة الحرارة بين الجسمين بالطاقة الحرارية، إذ عندما تكتسب الجزيئات والذرات الطاقة الحرارية فإن تلك الطاقة تتحول إلى طاقة حركية تحرك الجسيمات وتباعدها عن بعضها البعض، لذلك تتحول بعض المواد إلى حالات أخرى من المادة إثر تعرضها لحرارة معينة، وهذا بدوره يؤثر على القوة الفيزيائية المؤثرة على المادة وعلى القيم الناتجة عنها، إذ تساعد الحرارة على إضعاف الروابط الفيزيائية بين جزيئات المادة، وكل مادة مصنوعة من جزيئات صغيرة تسمى الذرات والجزيئات والأيونات، وهذه الجزيئات الصغيرة في حالة حركة دائمة، إما تتصادم مع بعضها البعض أو تهتز ذهابًا وإيابًا، فحركة الجسيمات التي تخلق نوعًا من الطاقة تسمى الطاقة الحرارية الموجودة في كل المواد.[٩]


تجارب باسكال في العلوم الفيزيائية والفلسفة

عندما كبر باسكال بدأ يتعمق في العلوم الفيزيائية والفلسفة، وفي حوالي عام 1646 بدأت سلسلة من تجارب الضغط الجوي لاختبار نظريات الطالب غاليليو وإيفانجيليستا توريسيلي، وغاليليو هو الفيزيائي الإيطالي الذي حدد المبدأ الذي يحكم البارومترات، إذ بدأ باسكال بجمع مقاييس الزئبق الخاصة به، وأجرى نسخًا موسعة من تجارب أسلافه، وخرج بنتائج ساعدت في وضع الأسس للديناميكا المائية والهيدروستاتيكا حتى تمكن من الحصول على وحدة لقياس الضغط سميت باسمه، ومن وحي تجارب الضغط استطاع باسكال أيضًا أن يخترع الحقنة الهيدروليكية، وقد استمد هذا الاختراع من ملاحظة الضغط الخارجي الذي يمارس على السائل المحصور والذي ينتشر من خلال الضغط عليه في جميع الاتجاهات بغض النظر عن مكان الضغط، وعلى نفس المبدأ اختُرعت المكابس الهيدروليكية لإنشاء ميزة ميكانيكية، وفكر في الأمر كرافعة مائية سائلة، كما تسمح لك الرافعة برفع وزن أثقل من المعتاد، فكان له الفضل في اختراع المصاعد الهيدروليكية وكيفية تطبق المكابح الهيدروليكية قوة كافية لإيقاف مئات الأطنان من الطائرات، وبسبب اختراعه الفني وأبحاثه الفيزيائية اكتسب باسكال شهرة كبيرة.[١٠]


المراجع

  1. "Force and Pressure", toppr, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  2. "PRESSURE AND TEMPERATURE RELATIONSHIP", theweatherprediction, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  3. "Heat and Chemical Reactions", iun.edu, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  4. "Nuclear Power", butane.chem.uiuc.edu, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  5. Francis E. Kennedy, "Frictional Heating and Contact Temperatures"، home.ufam.edu.br, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  6. "What’s the relationship between pressure and temperature of gas?", masterconceptsinchemistry,2017-11-15، Retrieved 2019-10-25. Edited.
  7. "Atmospheric Pressure", http://ww2010.atmos.uiuc.edu, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  8. "What is pressure?", khanacademy.org, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  9. "Heat energy", sciencelearn.org, Retrieved 2019-10-25. Edited.
  10. NICHOLAS GERBIS, "What were the famous Blaise Pascal inventions?"، science.howstuffworks, Retrieved 2019-10-25. Edited.