موضوع بحث شامل عن درجة الحرارة وقياسها

مقدمة عن درجة الحرارة

ما الذي يجعلنا نقول إننا شعر بالحرارة أو البرودة؟ إنها درجة الحرارة.فهي كمية فيزيائية طبيعية تعبر عن برودة وسخونة المادة او الجو كميًا ،ويتم قياسها بميزان حرارة .وهي خاصية هامة جداً بالنسبة للحياة على كوكب الأرض فلا تستطيع الأحياء الحياة اذا زادت درجة الحرارة عن حدها او قلت بنسبة كبيرة كما في القطبين.لذا في هذا البحث عن درجة الحرارة سنركز عن طرق قياس الحرارة واهميتها في التغير المناخي على الأرض.

كيف تنتقل درجة الحرارة

تتكون المادة من ذرات أو جزئيات تكون فى حركة دائمة تعرف بالطاقة الحركية للذرة،أو الجزىء المكون للمادة وتعـرف بأنها كمية الطاقة الحركية في الذرة الواحدة أو الجزىء الواحد للمادة.ولا تتحرك الذرات أو الجزئيات بنفس السرعة فى كل وقت فتتباين الطاقة الحركية لها وبالتالى حرارتهـا.⁽¹⁾temperature physical properties-visionlearningوتعرف درجة الحرارة بأنها مقياس يحدد متوسط كمية الطاقة الحركية للذراة الواحدة أو الجزىء الواحد.وتنتقل الحرارة بالتوصيل داخل المادة أو بين المواد بواسطة الاتصال الطبيعي بين جزئياتها.وهذا يفسر ارتفاع حرارة الملعقة إذا وضعت فى سائل ساخن.وتنتقل الحرارة بالتوصيل بشكل أسرع فى المواد الصلبة أكبر من إنتقالاتها داخل السوائل،وتنتقل داخل السوائل بشكل أسرع من الغازات.كما تنتقل الحرارة بالحمل أي انتقالها بواسطة تحرك المـادة نفسها مـن مكان الى آخر ،فعلى سبيل المثال يتحرك الهواء الدافىء ( الأقل كثافة ) إلى أعلى فيحل الهواء البارد ( الأكبر كثافة ).⁽²⁾ What is Temperature? – Definition & Measurement –study

الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة

من المهم أن نفهم أن الحرارة ودرجة الحرارة ليسا نفس الشيء. على الرغم من أن المفهومين مرتبطان ، إلا أنهما يعنيان أشياء مختلفة.تصف الحرارة انتقال الطاقة الحرارية بين الجزيئات داخل النظام ويتم قياسها بالجول. يمكن أن يكتسب الجسم الحرارة أو يفقدها ، لكن لا يمكن أن يكون له حرارة. الحرارة ليست خاصية يمتلكها كائن أو نظام بل هي مقياس للتغيير.تصف درجة الحرارة متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات داخل مادة أو نظام ويتم قياسها بالدرجات المئوية (درجة مئوية) ، كلفن (كلفن) وفهرنهايت (درجة فهرنهايت).على سبيل المثال للشمس طاقة حرارية لذا يقال حرارة الشمس،بينما يكتسب الجو نسبة من الحراة يقال عليها درجة حرارة نسبة للمقياس.كما ان اجسام الحيوانات والبشر لديها حرارة لكنها لا  يمكن استخدامها كطاقة منتقله كما في اشعة الشمس.فالحرارة هي الطاقة التي تتحرك بسبب اختلاف درجات الحرارة.⁽³⁾Temperature-nationalgeographic يمنح الجسم الذي يحتوي على طاقة حركية أكبر الجسم ذي الطاقة الحركية الأقل زخمًا. وهذا ما يسمى بنقل الحرارة.

مقاييس درجة الحرارة

يـتم التعبير عـن درجة الحرارة بثلاثة مقاييس أساسية فالشائع المقياس المئـوى (م ) وهـو مقيـاس رقمـى إلى 100 درجـة تبـدأ مـن درجة تجمد الماء وهـي الصـفر المئـوى وينتهى عند درجة غليان الماء وهى 100٠ مئوية.وتستخدم مجموعة قليلة جداً من دول العالم من بينها الولايات المتحدة الأمريكيـة المقيـاس الفهرنهايت ( ف ) وهـو مقسـم إلى 180 درجـة،تبـدأ مـن درجـة تجمد المياه وهـى 32 فْ وتنتهى عنـد درجة غليان الماء وهـى 212 فْ .أما المقياس الأخير فهـو مقياس هام ومفيـد يسمى مقياس كلفـن ويعتمد على الصفر المطلق.ودرجـة الصـفر المطلـق وهـى الدرجـة الـتى تتوقـف عنـدها حركـة جزئيات المادة التى ينتج عندها حرارة وهى تعادل 273 م وأى جسم له درجة حرارة أكبر من الصفر المطلق يعنى أنه يقوم بنقل الطاقة الحركية إلى البيئة المحيطة به على شكل موجات حرارية كهرومغناطيسية تتحرك بسرعة الضوء.وتبعاً لهذا المقياس فإن درجة تجمد المياه تكون 273 درجة ك ،ودرجة  غليان الماء تكون 373 كْ .

وفى حالة الرغبة في تحويل المقياس الفهرنهيت يتم التحويـل عـن طريـق النسبة بـين وحدات كـل منهمـا فتكـون النسبة بينهما 100: 180 علـى الترتيـب أو 5 : 9 على الترتيـب.ولأن المقياس الفهرنهيت يتزحزح بمقـدار 32 وحدة فيؤخذ ذلك فى الاعتبار عندالتحويل على النحو التالى : الدرجة الفهرنهيتية ( فْ ) = ( 9 : 5 x الدرجـة المئوية ) + 32

الدرجـة المئويـة (مْ) = 9÷5 ( الدرجـة الفهرنهيتية – 32 )

وفى الرغبة في تحويل المقياس المئوى إلى المقياس المطلق (كلفن) يضاف 273 إلى الدرجة المئوية .

اجهزة قياس درجة الحرارة

يستخدم جهاز الترمـومتر فى قياس درجة حرارة الأجسام،ويعد الترمومتر الزئبقى الجهاز الأكثر شيوعاً فى قياس درجة حرارة الهواء .وهـو يتكون مـن أنبوب زجاجى مدرج بالتدريج المئوى أو الفهرنهيت أو الأثنـين معـاً،يوجـد فى نهايته مستودع مملوء بالزئبق فعندما تتغير درجة الحرارة يتغير ارتفاع الزئبق فى الأنبوب ونتعرف علـى قيمتها مـن خلال التدرج. ولقياس درجة الحرارة العظمى ودرجة الحرارة الصغرى ،نستخدم ترمومتر خاص لكل منها فترمومتر النهاية العظمى يستخدم فى قيـاس أعلى درجة حرارة بلغتها حرارة الهواء . أما ترمومتر النهاية الصغرى فهو يستخدم فى قياس أقل درجة حرارة بلغتها حرارة الهواء ويستخدم فيه الكحول بدلاً من الزئبـق لأن درجـة تجمـد الكحـول تبلغ – 117 مْ وهـى أقل من درجة تجمد من الزئبق التي تبلغ -37 م.ويعدل كل من ترمومتر النهاية العظمى والنهاية الصغرى بعد قراءة كل منهما،وذلك عن طريق الرج او القلب الى اسفل .ولزيادة دقة القياس درجة الحـرارة يجب أن توضـع الترمومترات فى الظل بعيـداً عـن مياه الأمطار أو الثلوج وأشعة الشمس المباشرة.فتوضـع الترمـومترات بمحطات الأرصـاد الجويـة داخـل كشـك خشـي مطلـى بـدهان أبـيض وجيد التهوية ويكون مواجهاً لاتجاه الشمال، وعلى ارتفاع يتراوح بين 1.2: 1.8 متراً فوق سطح الأرض وهو يـوفر الـلازم للأجهـزة الموجـودة بداخلـه وطرازه موحد بجميـع الأرصاد الجوية فى جميع أنحاء العالم .

وهناك أجهـزة قياس يقرأها الرصد بنفسه ولهذا فإن الدرجة التى يسجلها الراصد تتوقف على دقته وصحة تقديره لهـا .وتقـاس درجة الحرارة فى أوقات معينة علـى مدار اليوم تبعاً لنظام كل محطة وفى الغالب كل ثلاث ساعات. تستخدم المراصد جهاز الترموجراف فى تسجيل درجة الحرارة علـى مدار اليوم الواحد أو أيام الأسبوع الياً لحظـة بلحظة، فيوفر سجلاً حرارياً كاملاً موزعاً على وحدات الزمن بالساعة وأجزاءها علـى مدار اليوم الواحد أو أيـام الأسبوع.ويتكون الترموجراف من جهاز حساس يتآلف من قطعتين معدنيتين ذات معامل تمدد مختلف،يتم لحمهما معاً ثم ثنيهما وتثبيتهما معاً من جهة واحدة.بينما تكون الجهة الآخرى حرة الحركة فإذا ارتفعت درجة الحرارة تمتـد القطعتان وإذا انخفضت إنكمشت.وتنتقل هذه الحركة عن طريق روافع خاصة إلى سن ريشة،تسجل بالحبر على ورقة رسم بيانى مقسمة إلى محور أفقى يمثل الزمن،ومحور رأسى يمثل درجة الحرارة ملفوفة على أسطوانة تدورة كاملة كل يوم فى حالة تسجيل حرارة اليوم الواحد أو كل أسبوع فى حالة تسجيل حرارة أيام الأسبوع .⁽⁴⁾ How we measure temperature –metoffice

قياس درجة الحرارة والتنبؤ بالطقس

يعد قياس درجة الحرارة مـن أهـم المتغيرات التى تستخدم لوصف خصائص الغلاف الجوى وهى عنصر أساسى فى تقارير الطقس والتنبؤ المناخي، ويسـتفاد مـن قياس درجة الحرارة تحديـد المتوسـطات اليوميـة والشـهرية والسـنوية المستخدمة فى وصف حالة الطقس والمناخ ودراسة علاقة درجة حرارة بالمتغيرات البيئية ،عن طريق قسمة مجموعة القراءات المرصودة لدرجة الحرارة خلال اليوم على عدد مرات رصدها .او قسمة مجموع النهايتين العظمى والصغري على:

• المتوسط الشهرى لدرجة الحرارة ويتم حسابه بقسمة مجموع المتوسطات اليومية لدرجة الحرارة خلال الشهر على عدد أيام الشهر .
• المتوسط السنوى لدرجة الحرارة ويتم حسابة بقسـمة مجمـوع المتوسـطات الشـهرية لدرجـة الحـرارة خلال السنة على ١٢ ( عدد شهور السنة ) .
• المدى اليومي لدرجة الحرارة وهو عبارة عن الفرق بين النهايتين العظمى والصغرى لدرجة الحرارة أثناء اليوم الواحد .
• المدى السنوى لدرجة الحرارة وهو عبارة عن الفرق بين كـل مـن أعلـى متوسـط شـهرى لدرجـة الحـرارة وأدنى متوسـط شهرى لها .

التباين الزمني لدرجة الحرارة

تتباين درجة حرارة الهـواء زمنياً على مدار الوحدة وعلى مدار شهور السنة،كنتيجة طبيعية لتباين الإشعاع المرتبط بحركة دوران الأرض حـول محورهـا يوميـاً وحركـة دوران الأرض حـول الشمس سنوياً وينتج عن ذلك:

الدورة اليومية لدرجة الحرارة

تدور الكرة الأرضية حول محورها دورة كـل 24 ساعة،ولأن الأشعة الشمسية تأتى من اتجاه واحد فينتج عن ذلك الليل والنهار .وتتباين على مدار فترة النهار شدة الإشعاع الشمسي، فالأشـعة الشمسية في  الشـروق والغـروب تكـون أكثر ميلاً على خط الأفق وبالتالى أقل شدة مما تكون وقت الظهيرة،ويؤدى ذلك إلى تباين درجة الحرارة على مدار اليوم حيث نتوقع أن يكون وقت الظهيرة أعلى حرارة من أى وقت آخر على مدار اليوم ولكى نتبع هذا التغير اليومى فى شدة الإشعاع الشمسى وما يترتب عليه من تغير فى درجة الحرارة،يجب دراسة كل من:

أولاً : توزيع كمية الإشعاع الشمسي اليومى الواصل إلى سطح الأرض:

• يتباين طول النهار بين فصول السنة على دائرة عرض 45 ش.
• تتزايد شدة الإشعاع خلال الإنقلاب الصيفى بالمقارنة بالاعتدالين والانقلاب الشتوى الذي يصل خلاله الإشعاع اليومى إلى أدنى مستوياته.
• تتدرج شدة الإشعاع اليومى من الشروق لتصل أقصـاها منتصـف اليـوم ( 12 ظهـراً ) فى جميـع الفصـول،و تبـدأ بعد ذلك فى الإنخفاض لتصل أدناها وقت الغروب .

ثانياً : توزيع صافى الإشعاع الشمسى اليومى المؤثر في حرارة الهواء:

• يأخذ صافى الإشعاع الشمسى قـيم موجبة بعد فترة قصـيرة ( أقـل مـن سـاعة ) بعـد شـروق الشـمس فى جميـع الأيـام علـى مدار السنة، ثم يصل إلى أعلى مستوياته في منتصف اليوم ( 12 ظهراً ) ثم ينخفض إلى الصفر قبل غروب الشمس بأقل من ساعة،ثم يأخذ قيماً سالبة أثناء الليل ويعنى ذلك أن العجز فى الأشعاع يبدأ قبل غروب الشمس بقليل ويستمر إلى بعد شروق الشمس بقليل .
• يبدأ صافى الإشعاع الموجب مبكراً وينتهى متأخراً فى أيام الإنقلاب الصـيفي بالمقارنة مع أيام كل من الإعتدالين والإنقلاب الشتوى ويدل ذلك على زيادة الفائض من الإشعاع الشمسى فى فصل الصيف بالمقارنة مع الأعتدالين،والإنقلاب الشتوى الذي يسجل فيه أدنى مستوى من فائض من الإشعاع الشمسى وأعلى مستوى من العجز فى الإشعاع الشمسى .

ثالثاً : التوزيع اليومى لدرجة الحرارة:

تسجل درجة الحرارة الصـغرى بعـد شـروق الشمس مباشرة وعند نقطة الصفر التي تبدأ عندها صافى الإشـعاع فى التحـول مـن القيم السالبة ( العجـز ) إلى القـيم الموجبـة ( الفـائض ) فترتفـع درجة الحرارة تدريجياً بعـدها حتى تصل إلى أقصى درجة ( درجة الحرارة العظمى ) بعد الظهر بحوالى ثلاث ساعات .

يلاحظ ظهـور درجة الحرارة الصـغرى فى الإنقلاب الصـيفى مبكراً بحوالى ساعتين ممـا هـو موجـود فى الأعتدالين وتظهـر فى الإنقلاب الشتوى متأخرة بحوالى ساعتين عن الاعتدالين في حين أن درجة الحرارة العظمى تظهـر فى وقت واحد الثالثة ظهراً فى جميع أيام السنة ويرجع ذلك للزيادة فى طول الليل وفترة نشاط الإشعاع الأرضى وتبدد حرارة سطح الأرض والهـواء الملامـس له في فصل الشتاء بشكل أكبر من مثيله فى الاعتدالين والإنقلاب الصيفى .

ويتضح من التحليل السابق الترابط الطردي القوى بين كمية الإشعاع الشمسى والواصلة إلى سطح الأرض وهو ما يعكس العلاقة الطردية المباشرة بين الإشعاع الشمسى ودرجة حرارة الهواء على مدار اليوم الواحد بإختلاف فصول السنة وأن الدورة اليومية لدرجة الحرارة ماهى إلا محصلة الدورة اليومية لصافى الإشعاع الشمسى .

الدورة السنوية لدرجة الحرارة

بالمثل تتوافق الدورة السنوية لدرجة الحرارة مع الدورة السنوية لصافى الإشعاع الشمسى المؤثر في حرارة سطح الأرض.الذي يعد محصلة دوران الكرة الأرضية بمحورها المائل حول الشـمس علـى مـدار السـنة ، بتحليـل توزيـع المتوسـط الشـهرى لصـافى الإشـعاع الشمسـى المـؤثر فى حرارة سطح الأرض،والمتوسط الشهرى لدرجة حرارة الهواء موزعة على أربع محطات أرصـاد جويـة موزعـة علـى دوائـر عـرض مختلفـة هـى مـانيوس بالبرازيـل (3 مْ)، أسـوان فى مصـر (24 مْ)، هـامبورج (54 ش)، ياكوتسك بسيبريا ( 62 ش) ومنه نستنتج الحقائق التالية :

١- بالنسبة لمحطة مانيوس القريبة من خط الاستواء يتبين أن صافى الإشعاع المسجل عندها يأخذ قيماً موجبة على مـدار شـهور السـنة ويصـل إلى أعلـى مسـتوياته خـلال الاعتدالين.

٢ – بالنسبة لمحطة أسوان يتضح وجود تبيناً شهرياً في صافى الإشعاع الشمسى يتراوح بين250  لانجلـى /يـوم فى شـهور الصـيف ، 100 لانجلـى / يـوم فى شهور الشتاء وذلك ترتب عليه ظهور دورة سنوية لدرجة الحرارة على دائرة عرض 24 ش.

٣ – بالنسبة لمحطة هامبورج ،يظهر التفاوت لصافى الإشعاع الشمسى واضحاً وكبيراً فهو موجب فى تسعة شهور من السنة فى أشهر الشتاء الثلاثة وهذا يؤثر فى الدورة السنوية لدرجة الحرارة .

٤- بالنسـبة لمحطـة ياكوتسـك علـى دائـرة عـرض ٦٢درجة ش يظهر تفاوت حاد فى صافى الإشعاع الشمسى بين شهور السنة ،فيكون صافى الإشعاع الشمسى سالباً خلال ستة أشهر تبدأ من أكتوبر وتنتهى فى مارس ويكون موجباً فى باقى شهور السنة.

يتضـح ممـا سـبق أن الـدورة السـنوية لدرجـة حـرارة الهـواء لاتكون واضحة على خط الاستواء والأقاليم الإستوائية حيث يكون التغير فى المتوسط الشهرى لدرجة الحرارة ضئيلاً.

درجة الحرارة وجسم الإنسان

نظرًا لأن درجة الحرارة لها تأثير على الوظائف الفسيولوجية المختلفة ، فإن الحفاظ على درجة حرارة الجسم الصحية والوظيفية أمر بالغ الأهمية. تتراوح درجة حرارة أجسام الإنسان عادةً من 36.5 إلى 37.5 درجة مئوية. يمكن للأجسام أن تعمل بشكل طبيعي في درجة الحرارة هذه. قد يكون ارتفاع درجة حرارة الجسم علامة على المرض ويشار إليه بالحمى. هذا نتيجة لبذل أجسامنا المزيد من الجهد لدرء المرض.⁽⁵⁾What is Temperature?: Learn Definition, Facts & Examples-vedantu

خاتمة البحث

يناقش المقال مفهوم درجة الحرارة وقياسها باستخدام مقاييس مختلفة. لقد تعلمنا أيضًا كيف تختلف الحرارة ودرجة الحرارة فيما يتعلق بخصائصها. تعتبر درجة الحرارة أيضًا سببًا لتأثر أجسامنا جسديًا. يرتبط ارتفاع درجة الحرارة بزيادة الاحتباس الحراري ، مما أدى لاحقًا إلى ذوبان الأنهار الجليدية ، وتدمير الحياة البرية ، وما إلى ذلك.فارتفاع درجات الحرارة ، وتغير مجموعات الحياة البرية والنظم البيئية ، وارتفاع المحيطات ، ومجموعة متنوعة من العوامل الأخرى كلها تحت مظلة تغير المناخ.