درجة الحرارة

تقديـــم :

كثيرا ما نتعرض لأسئلة عن درجة الحرارة ومنها هل أنكم فعلا تذكرون درجة الحرارة الحقيقية في نشراتكم الجوية أو ما هي درجة الحرارة التي تذكروها في النشرة الجوية؟ إن درجة الحرارة التي نذكرها هي درجة حرارة الهواء السطحي والتي تمثل في الأرصاد الجوية درجة حرارة الهواء الحر الموجود على ارتفاع يتراوح ما بين 1.25- 2 متر فوق سطح الأرض، وقد وجد أن درجة الحرارة على هذا الارتفاع تمثل تقريبا الظروف التي يتعرض لها الإنسان على سطح الأرض. ومع هذا فإن درجة حرارة الهواء السطحي المقاسة بهذه الطريقة تختلف بدرجة كبيرة عن درجة حرارة سطح الأرض. ففي الأيام المشمسة الحارة يمكن أن تكون درجة حرارة سطح الأرض أكثر من درجة حرارة الهواء السطحي، وعلى العكس فإنه في ليال الصقيع الباردة يمكن أن تكون أقل بكثير من درجة حرارة الهواء السطحي.

وحتى نحصل على قراءة من الثرمومتر تمثل درجة حرارة الهواء فإنه يجب وقاية موازين الحرارة أثناء القياس من الإشعاع القادم من الشمس والسماء والأرض وأية أجسام محيطة، هذا ويجب أن تكون التهوية حولها كافية حتى نتمكن من قياس درجة حرارة الهواء الطليق.

لذلك توضع الموازين في أكشاك ذات فتحات للتهوية مع مراعاة ألا تتأثر درجة الحرارة بأي ظروف صناعية مثل المباني الكبيرة والأسطح الخرسانية.

التغير في درجات الحرارة هنالك عدة تغيرات تحدث على درجة الحرارة:

·  التغير اليومي في درجات الحرارة: هو التغير الذي يحدث على درجات الحرارة خلال النهار والليل وهذا ناتج عن الليل والنهار بسبب دوران الأرض حول نفسها.

·  التغير الفصلي في درجات الحرارة: وهذا ناتج عن دورات الأرض حول الشمس وما ينتج عنها من الفصول الأربعة.

·  التغير في درجة الحرارة بسبب خطوط العرض: درجة الحرارة تقل كلما تحركنا من خط الاستواء باتجاه الأقطاب بسبب نقصان الإشعاع الشمسي.

·  تغير درجة الحرارة حسب التضاريس:فمعدل درجة حرارة الأرض الصحراء تختلف عن معدل درجة الحرارة المناطق الساحلية. فالتغير على درجات الحرارة في الأرض الصحراء كثيرا بينما التغير في المناطق الساحلية قليلا.

·  تغير درجة الحرارة مع الارتفاع: في الطبقة الأولى من طبقات الغلاف الجوي التروبوسفير وهي الطبقة التي تحدث فيها الظواهر الجوية المختلفة، في هذه الطبقة تنخفض درجات الحرارة مع الارتفاع بمعدل 6.5س/كم.

لمحة عامة عن درجة الحرارة

درجة حرارة الجسم: هي الحالة التي تحدد مقدرة الجسم على انتقال الحرارة من وإلى الأجسام الأخرى عند اتصالها به. ويقال للجسم الذي يعطي حرارة إلى جسم آخر بأنه الجسم الأعلى في درجة الحرارة.

المقياس الشائع لقياس درجة الحرارة:

·             مقياس سلسيوس

·             المقياس الفهرنهايتي

وتصمم مقاييس درجة الحرارة على أساس نقط ثابتة وهذه النقط هي درجات حرارة

ثابتة، وقد اتفق دوليا على نقطتين محدودتين هما:

·             نقطة الجليد

·             نقطة التبخر

نقطة الجليد : هي درجة الحرارة التي ينصهر عندها الثلج النقي تحت ضغط خارجي يعادل 1 ضغط جوي، وهذا الضغط هو وزن عمود من الزئبق طوله 76سم ويساوي 1013.25 مليبار.

نقطة التبخر: هي درجة الحرارة التي يغلي عندها الماء النقي تحت ضغط خارجي يعادل 1 ضغط جوي قياسي. وفي المقياسان الشائعان في الاستخدام لدرجة الحرارة.

مقياس سلسيوس        وفيه نقطة الجليد = صفر° ونقطة التبخر 100°س.

المقياس الفهرنهايتي    وفيه نقطة الجليد +32ف ونقطة التبخر +212°ف.

نلاحظ مما سبق أنه في المقياس الفهرنهايتي يوجد 180 قسم فهرنهايتي بين نقطتي الجليد والتبخر ، بينما في مقياس سلسيوس يوجد 100 قسم سلسيوس بين نقطتي الجليد والتبخر وعلى هذا فإن كل قسم من تدريج سلسيوس يعادل

180/100 = 9/5 هذا مع العلم أن الرقم المحدد لنقطة الجليد في التدريج الفهرنهايتي يزيد عن نظيره في تدريج سلسيوس بمقدار 32.

الشكل النهائي يوضح العلاقة بين هذين المقياسين

…………………………….

 

تحويلات مقياس درجة الحرارة

1-               للتحويل من مقياس سلسيوس إلى فهرنهايتي نستخدم القانون التالي:

ف= 9/5س+32

مثال حول 30س إلى فهرنهايت

الحل : ف= (9/5×30)+32

= 86°ف

2-               للتحويل من قياس فهرنهايت إلى سلسيوس حسب المعادلة التالية:

س=5/9(ف-32)

مثال  حول 86°ف إلى سلسيوس

س = 5/9×(86-32)

=30°س

مقياس كلفن (مطلق) لدرجة الحرارة:

يستخدم مقياس كلفن لدرجة الحرارة غالبا في الأغراض العلمية ويرتبط هذا المقياس بمقياس سلسيوس فمثلا

صفر° س = 273.16 كلفن وللتقريب صفر° س = 273كلفن

مثال    20°س = 273+20

=293 كلفن أو مطلق

ملاحظة: النقطة الأساسية في مقياس كلفن لدرجة الحرارة هي النقطة الثلاثية للماء النقي: وهي درجة الحرارة التي توجد عندها صور الماء النقي الثلاثة الصلبة والسائلة والغازية في حالة اتزان مع بعضها، وتحدد هذه النقطة عند درجة الحرارة 273.16 كلفن.

السوائل المستخدمة في أجهزة موازين قياس درجات الحرارة (الثيرموميترات)

إما الزئبق أو الكحول الايثيلي علما بأن درجة تجمد الكحول ما بين - 89°س-113°س ولذلك يستخدم الكحول غالبا في موازين الحرارة التي تقيس درجة الحرارة الصغرى بينما الزئبق يستخدم فقط حتى درجة حرارة  -36°س.

وفي نهاية هذا الموجز بقي أن نشير إلى أن درجة الحرارة الصغرى تسجل بعيد شروق الشمس بقليل وأن درجة الحرارة العظمى تسجل حوالي الساعة 1400 تقريبا توقيت محلي.

******************************************************

مصادر الحرارة

تعتبر الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية والتي تزود سطح الكرة الأرضية وغلافها الجوي بهذه الطاقة.

 

طرق انتقال الحرارة

يكتسب أو يفقد الجسم الحرارة بإحدى الطرق التالية:

·        التوصيل Conduction

           إذا اتصل جسم ساخن بجسم آخر أبرد منه فإن الحرارة تنتقل من الجسم الساخن إلى الجسم الأبرد                    بالتوصيل.

·        الحمل:  فعند تسخين كمية من السائل من الأسفل فإن درجة حرارة السائل الملاصق لمصدر التسخين ترتفع فتقل كثافته فيرتفع للأعلى حاملا الحرارة التي اكتسبها ويحل محله سائل أبرد. وهذا ما يحدث في الغازات أيضا حيث تعمل تيارات الحمل على نقل الحرارة من الأماكن القريبة من مصدر التسخين إلى الأماكن التي تعلوها.

·        الإشعاع:  مهما اختلفت درجة حرارة الأجسام فإنها تصدر إشعاعا على شكل أمواج كهر ومغناطيسية، وكلما زادت سخونة الجسم ازدادت شدة الإشعاع الصادر منه.

وفي البداية نستعرض الحقائق التالية:

·        إن درجة حرارة سطح الشمس 6000°س بينما متوسط درجة حرارة سطح الأرض 15°س

·        يتحول الإشعاع قصير الموجة القادم من الشمس والذي يمتص بواسطة سطح الأرض إلى طاقة حرارية.

·        بما إن درجة حرارة سطح الأرض أقل بكثير من درجة السطح الخارجي للشمس فإن الأرض تشع إشعاعا طويل الموجة في مدى يتراوح ما بين 4-80 ميكرون ويسمى هذا الإشعاع بالإشعاع الأرضي.

·        إن الأرض في حالة اتزان إشعاعي حيث أنها تشع كمية من الطاقة تعادل نفس كمية الطاقة التي تستقبلها لذلك فان متوسط درجة حرارة سطح الأرض ثابتة تقريبا وتساوي 15°س

·        إن هذا الاتزان بين الإشعاع الأرضي والشمسي يتحقق عند معظم خطوط العرض فمثلا نجد في المنطقة الممتدة بين خطي عرض (صفر-35°) في كل من نصفي الكرة الأرضية بأن كمية الطاقة الممتصة تزيد عن كمية الطاقة المنبعثة إلى الفضاء ومن ثم فإنه يوجد فائض في الطاقة في هذه المناطق. وبالمقابل يوجد نقصان في الطاقة في المناطق الممتدة بين خط عرض 35° والقطبين.

·        إن الحرارة تنتقل عبر خطوط العرض, من خطوط العرض المنخفضة إلى خطوط العرض العالية ويشمل انتقال الطاقة هذا كل من الغلاف الجوي والمحيطات.

·        يساعد على انتقال الطاقة باتجاه خطوط الطول تأثير الدوامات "المرتفعات والمنخفضات الجوية"

 

انتقال الحرارة في الغلاف الجوي

·        إن سطح الأرض يمتص 43% من الإشعاع الشمسي الساقط على قمة الغلاف الجوي.

·        يمتص الغلاف نفسه حوالي 22% من الإشعاع قصير الموجة

·        إذن في المتوسط هناك حوالي 65% من الإشعاع الشمسي الساقط هو الذي له أثر حراري على سطح الأرض لان حوالي 35% من الأشعة الساقطة تنعكس ثانية إلى الفضاء الخارجي.

·        بناء على ذلك يعتبر الغلاف الجوي نفاذا بدرجة كبيرة للإشعاع الشمسي قصير الموجة.

·        تمتص اليابسة والمحيطات الطاقة القادمة من الشمس محولة إياها إلى طاقة حرارية, وبناءا عليه ترتفع درجات حرارة المواد الأرضية كل بطريقة خاصة ففي مناطق اليابسة يمتص الإشعاع بواسطة طبقة من القشرة الأرضية سمكها بضع سنتمترات وعليه فإن التغير اليومي لدرجة الحرارة السطحية ملحوظة، أما فوق المسطحات المائية فإن التسخين الناتج عن امتصاص الماء لا يؤثر فقط في الطبقات السطحية للماء بل ينتقل هذا التسخين هابطا من السطح عن طريق تيارات الحمل التي تنقل الطاقة الحرارية إلى أعماق ملحوظة.

كمية الحرارة المكتسبة = الكتلة×الحرارة النوعية×التغير في درجة الحرارة

 

العوامل التي تعتمد عليها درجة حرارة الجسم

كمية الحرارة التي يكتسبها الجسم أو يفقدها

إذا كانت كمية الحرارة المكتسبة أكبر من المفقودة فإن درجة الحرارة ترتفع أما إذا كانت الكمية المفقودة أكبر من المكتسبة فإن درجة الحرارة تنخفض.

1-    الحرارة النوعية لمادة الجسم

إذا كانت الحرارة النوعية للجسم صغيرة كلما ارتفعت أو انخفضت درجة حرارته بدرجة أكبر من الجسم الذي حرارته النوعية كبيرة.

تعريف الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة الحرارة وحده الكتل من المادة درجة سلسيوس واحدة.

اختلاف درجة الحرارة عند سطح الأرض بين اليابسة والماء

أثناء النهار: تكون درجة حرارة سطح اليابسة أثناء النهار أعلى من درجة حرارة السطح المائي المجاور وذلك للأسباب التالية:

·        إن كمية الحرارة التي تكتسبها اليابسة من الإشعاع الشمسي أكبر من الكمية التي يكتسبها السطح المائي نظرا لشفافية الماء للإشعاع وسماحه له بالنفوذ, وبذلك تتوزع الحرارة المكتسبة على طبقة ذات سمك كبير من الماء.

·        إن الحرارة النوعية لليابسة أقل من الحرارة النوعية للماء .

أثناء الليل: تكون درجة حرارة سطح اليابسة ليلا أبرد من السطح المائي المجاور وذلك للأسباب التالية :

·        كمية الحرارة التي تفقدها اليابسة أثناء الليل أكبر من كمية الحرارة التي يفقدها السطح المائي المجاور لأن كمية الإشعاع طويل الموجة التي تنبعث من سطح اليابسة تكون في الليل أكبر من التي يبعثها السطح المائي لأن درجة حرارة اليابسة تكون أعلى من درجة حرارة الماء أثناء النهار.

·        عندما يبدأ السطح المائي بفقدان حرارته أثناء الليل يعود إليه جزء من الحرارة التي تسربت أثناء النهار داخل طبقة الماء السميكة فتعوض جزءً من حرارته التي فقدها بالإشعاع .

·        الحرارة النوعية لليابسة أقل من الحرارة النوعية للماء.

 

تأثير الغيوم على درجة الحرارة عند السطح                     

أثناء النهار

عندما تعترض الغيوم الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض فإنه يعكس جزءا كبيرا منه كما أنه يمتص جزءا من الإشعاع الذي يمر خلاله وبذلك تسبب الغيوم تقليل كمية الإشعاع الواصل إلى سطح الأرض.

ولذلك يكون ارتفاع درجة الحرارة عند سطح الأرض في الأيام المغيمة أقل منه في الأيام الصافية في نفس الظروف وكلما زاد سمك السحاب قلت كمية الإشعاع الواصل إلى سطح الأرض ولذلك فان السحب السميكة تكون قاعدتها معتمة.

 

·        أثناء الليل

ترتفع درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والسحب وذلك بامتصاصها للإشعاع الأرضي ونتيجة لذلك تشع هذه المواد نفسها إشعاعا طويل الموجة يعود جزءً منه ثانية إلى سطح الأرض لذلك فإن الليالي التي تتواجد فيها الغيوم تكون درجة الحرارة أعلى من الليالي التي تكون فيها السماء صافية والسبب لأن الأرض عندما تصدر الإشعاع تصطدم هذه الإشعاعات بالغيوم فتمتص جزء منها وتعكس الجزء الآخر.

 

التغير اليومي لدرجة الحرارة

·        عند شروق الشمس يبدأ سطح الأرض باكتساب الحرارة نتيجة امتصاص الإشعاع الشمسي ومع ذلك تنخفض درجة حرارة السطح في البداية لأن كمية الحرارة المفقودة من سطح الأرض أكبر من كمية الحرارة المكتسبة إلى أن تتساوى كمية الحرارة المفقودة مع كمية الحرارة المكتسبة, في هذه اللحظات تصل درجة الحرارة إلى نهايتها الصغرى.

·        تزداد كمية الحرارة المكتسبة من الإشعاع الشمسي تدريجيا لذلك تأخذ درجة الحرارة بالارتفاع.

·        عند الساعة 12 محلي وقت الظهيرة تكون كمية الحرارة المكتسبة أكبر من كمية الحرارة المفقودة لذلك تستمر درجة الحرارة بالارتفاع بعد هذه الساعة.

·        بعد ذلك تبدأ كمية الحرارة المكتسبة بالتناقص في حين تكون كمية الحرارة المفقودة  في تزايد إلى أن تتعادل الكميتان ويحدث ذلك حوالي الساعة 1400 محلي وبذلك تبلغ درجة الحرارة نهايتها العظمى.

·        بعد ذلك تصبح كمية الحرارة المفقودة أكبر من كمية الحرارة المكتسبة وتبدأ درجة حرارة الأرض بالانخفاض.

·        وبعد غروب الشمس يفقد سطح الأرض من حرارته دون أن يكتسب شيئا فتستمر درجة الحرارة بالتناقص بمعدل أكبر إلى أن تصل نهايتها الصغرى مرة أخرى.

 

والشكل التالي يمثل التغيير اليومي لدرجة حرارة الهواء السطحي

مدى التغير اليومي في درجة الحرارة

إن الفرق بين قيمتي النهاية العظمى والنهاية الصغرى لدرجة الحرارة يسمى مدى التغير اليومي لدرجة الحرارة ويتوقف هذا المدى على ما يلي:

·        إن مدى التغير اليومي فوق الأراضي غير المزروعة أكبر من المدى فوق الأراضي المزروعة.

·        إن مدى التغير اليومي فوق سطح اليابسة أكبر من المدى فوق السطح المائي وإن المدى فوق البحار يكون قليلا جدا وقد يصل إلى درجة واحدة سلسيوس.

·        مدى التغير اليومي لدرجة الحرارة في حالة جود غيوم يكون أقل من المدى في الأيام الصافية، وذلك لأن الغيوم تعمل على الحد من تزايد درجة الحرارة أثناء النهار والحد من تناقصها أثناء الليل.

·        يقل مدى التغير اليومي لدرجة الحرارة كلما ابتعدنا عن سطح الأرض ويتلاشى تقريبا بعد ارتفاع 2 كم فوق سطح الأرض، وذلك لأنه كلما ابتعدنا عن سطح الأرض يقل الأثر الحراري الواصل عن طريق الحمل والتوصيل.

       يتأثر مدى التغير اليومي لدرجة حرارة الهواء السطحي بطبيعة السطح ومقدرة المواد المكونة له على        توصيل الحرارة من وإلى هذا السطح, ومع هذا فان لطبيعة الأرض المجاورة لسطح معين أهمية أيضا, إذ أن درجة الحرارة في مكان معين يمكن أن تتأثر بهبوب رياح دافئة أو باردة من المناطق المجاورة.               

مثال:

يحدث تبريد لسطح الأرض أثناء الليل نتيجة الإشعاع ومن ثم يبرد الهواء القريب من سطح الأرض ويصبح أكثر كثافة، فإذا كان هذا السطح منحدر فإن الهواء البارد ينحدر إلى المستويات المنخفضة مكونا ما يسمى الرياح السطحية الهابطة واسمها "الكتاباتك".

 

ويحدث عكس هذا التأثير أثناء النهار عندما تهب الرياح السطحية الصاعدة رياح "الأناباتك" إلى أعلى السطح المائل إذ يحل محلها الهواء الأبرد والأكثر كثافة.