الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
15درجة الحرارة وموازينها
قبل شتاءين خدعت ثلاثة أوعية ماء يديك: فبدا الماء نفسه دافئًا لإحداهما وباردًا للأخرى. ووعدنا حينها بأن جهازًا سيفصل يومًا في مثل هذه الخصومات. وها هو ذا — ميزان الحرارة، ذلك القاضي الزجاجي الصغير الذي يحوّل الساخن والبارد إلى عدد.
15.1 لماذا لا يكفي اللمس
مثال 15.1 (القضاة غير العادلين)
اللمس يقضي بغير عدل في كل فصل من فصول السنة: فالمِزلج المعدني يبدو أبرد من المقعد الخشبي الواقف في الظلّ نفسه؛ والماء الفاتر يبدو دافئًا ليد باردة وباردًا ليد دافئة؛ وبعد التزحلق يبدو الممرّ القارس دافئًا. فلكي نقارن الساخن والبارد مقارنة أمينة — بين الغرف، وبين الأيام، وبين الناس — نحتاج إلى قاضٍ لا يغيّر رأيه أبدًا: إلى جهاز.
15.2 ميزان الحرارة ودرجاته
تعريف 15.2 (درجة الحرارة)
درجة الحرارة في شيء هي العدد الذي يقول بالضبط كم هو ساخن أو بارد. فالعدد الأعلى للشيء الأسخن؛ والأدنى للأبرد. وتُقاس درجة الحرارة بالدرجة السلسيوسية، وتُكتب ، بواسطة ميزان الحرارة.
قضية 15.3 (معلَما الماء)
يُثبَّت السلّم السلسيوسي على تغيّرَي حالة الماء العظيمين:
وبين المعلمين يُقسَّم السلّم درجة متساوية — سلّم من خطوات أصغر من الثلج إلى البخار.
مثال 15.4 (كيف يعمل القاضي الزجاجي)
داخل أنبوب ميزان الحرارة الرفيع سائل ملوّن محبوس. والدفء يجعل ذلك السائل يتمدّد قليلًا — وفي أنبوب بهذه الرفاعة يدفع التمدّد القليل العمودَ صاعدًا دفعًا ظاهرًا للعين. والبرد يقلّصه نازلًا. والسائل لا يُخدع كما تُخدع اليد: فهو يتمدّد التمدّد نفسه للدفء نفسه، اليوم وغدًا، وعند كل الناس.
15.3 قراءة ميزان الحرارة
طريقة 15.5 (كيف تقرأ ميزان الحرارة)
- ضع ميزان الحرارة حيث تريد معرفة درجة الحرارة — في الماء، أو في الظلّ في الخارج، أو تحت اللسان؛
- وانتظر — فالسائل يحتاج إلى وقت ليتمّ صعوده أو نزوله؛ وراقبه حتى يكفّ عن الحركة؛
- واجعل عينك في مستوى قمة العمود؛
- واقرأ العدد عند العلامة التي يبلغها العمود، واكتبه مع وحدته: .
والقراءة قبل الأوان، أو من زاوية مائلة، تعطي عددًا خاطئًا — فالقاضي أمين، لكن لا بدّ من مساءلته على أصولها.
مثال 15.6 (درجات حرارة تُعاش بها)
بعض الأعداد جدير بأن يُحفظ عن ظهر قلب: فالغرفة اللطيفة نحو ؛ وجسمك يحفظ نفسه عند نحو ، في الصيف والشتاء سواء (وما زاد على ذلك كثيرًا فحمّى — وميزان حرارة الطبيب يعرف)؛ والثلاجة عند نحو ؛ ويوم الصيف الحارّ يبلغ ؛ وماء الحمّام لطيف قرب .
15.4 تحت الصفر
مثال 15.7 (أعداد الشتاء)
في صباح متجمّد ينزل العمود تحت العلامة . والعلامات تتابع نزولها هناك، ونقرؤها بكلمة “ناقص”: فعلامة واحدة تحت الصفر هي ناقص واحد درجة، وخمس علامات تحته ناقص خمسة، وتُكتب . والأعداد الناقصة أبرد من الصفر، وكلما نزلت اشتدّ التجمّد: فصباح عند يقرص أشدّ من صباح عند . وتذكرها نشرة الطقس كل مساء شتوي.
ملاحظة 15.8 (الصفر ليس “لا شيء”)
في هذا السلّم لا يعني “لا درجة حرارة” — إنما هو العلامة التي يتجمّد عندها الماء، معلمٌ مثل لافتة على الطريق. والطقس قد يكون أدفأ من المعلم أو أبرد منه؛ وميزان الحرارة لا يخبرك إلا في أيّ الجهتين هو، وبكم علامة. (وللأعداد تحت الصفر حساب كامل خاصّ بها — وسيتناوله منهاج الرياضيات على أصوله في سنة لاحقة.)
15.5 تمارين
تمرين 15.1 ★
لماذا يكون ميزان الحرارة قاضيًا أعدل من يدك في الساخن والبارد؟ واذكر وجهًا واحدًا خُدعت فيه الأيدي في فصول سابقة.
حل
حل التمرين 15.1.
ميزان الحرارة يعطي العدد نفسه للدفء نفسه، أيًّا كان قارئه ومتى كان. أما الأيدي فقد خدعتها الأوعية الثلاثة (إذ بدا الماء الفاتر نفسه دافئًا وباردًا معًا) وخدعها المعدن حين بدا أبرد من الخشب في الظلّ نفسه.
تمرين 15.2 ★
عند أيّ درجة حرارة يتجمّد الماء؟ وعند أيّها يغلي؟ وبأيّ وحدة العددان؟
تمرين 15.3 ★
ماذا يحدث للسائل في الأنبوب الرفيع حين يسخن ميزان الحرارة؟ وحين يبرد؟ ولماذا يظهر تغيّر بهذا الصغر ظهورًا بيّنًا؟
حل
حل التمرين 15.3.
حين يسخن يتمدّد السائل المحبوس فيصعد العمود؛ وحين يبرد يتقلّص فينزل العمود. والأنبوب من الرفاعة بحيث يدفع التمدّد الضئيل العمودَ صاعدًا دفعًا ظاهرًا.
تمرين 15.4 ★
اذكر الخطأين اللذين تحذّر منهما الطريقة 15.5 عند قراءة ميزان الحرارة.
حل
حل التمرين 15.4.
القراءة قبل الأوان (قبل أن يكفّ العمود عن الحركة)، والقراءة من زاوية مائلة بدل جعل العين في مستوى قمة العمود.
تمرين 15.5 ★
وافِق بين كل شيء ودرجة حرارته المرجّحة — ، ، ، : ماء يغلي؛ غرفة جلوس دافئة؛ داخل الثلاجة؛ جسمك أنت.
حل
حل التمرين 15.5.
الماء الغالي: . وغرفة الجلوس الدافئة: . والثلاجة: . وجسمك: .
تمرين 15.6 ★
يقرأ ميزان حرارة الحمّام ؛ ويقرأ القِدر على الموقد . أيّهما أسخن، وهل يؤمَن لمس القِدر؟ وبكم درجة يكون القِدر أسخن من الحمّام؟
حل
حل التمرين 15.6.
القِدر أسخن، بمقدار درجة — وهو أسخن بكثير من أن يُلمس: فهو عند درجة الغليان.
تمرين 15.7 ★
يُظهر ميزان حرارة شتوي العمودَ عند علامات تحت الصفر. كيف نقول تلك الدرجة ونكتبها؟ وأهي أبرد من أم أدفأ؟
حل
حل التمرين 15.7.
ناقص ثلاث درجات سلسيوسية، وتُكتب . وهي أدفأ من : فثماني علامات تحت الصفر أوغل في التجمّد من ثلاث.
تمرين 15.8 ★
قرأ ميزان حرارة الحديقة أمس عند الفطور و عند الغداء. بكم درجة دفئ الصباح؟
حل
حل التمرين 15.8.
: دفئ الصباح بمقدار درجات.
تمرين 15.9 ★
تحوّلت البِرَك على الرصيف ثلجًا خلال الليل. فماذا تستطيع أن تقول عن درجة حرارة الليل من غير أي ميزان حرارة؟ وأيّ معلم تستعمل؟
حل
حل التمرين 15.9.
نزل الليل تحت — وهو معلم تجمّد الماء. فالبِرَك المتجمّدة ميزان حرارة من صنع الطقس.
تمرين 15.10 ★★
بعد التزحلق مباشرة تجري إيما إلى الممرّ وتصيح: “الجوّ هنا يغلي!” ويقرأ ميزان حرارة الممرّ . أالممرّ ساخن؟ ولماذا تحسّه إيما كذلك — وأيّ قاضٍ ينبغي أن تثق به الأسرة؟
حل
حل التمرين 15.10.
لا — فالقيمة في الجانب البارد من اللطيف. لكن جلد إيما يقارن الممرّ بالحديقة المتجمّدة التي غادرتها توًّا، فيبدو لها دافئًا. وينبغي أن تثق الأسرة بميزان الحرارة: فهو يقارن بعلامات سلّمه الثابتة، لا بالمكان الذي جاء منه توًّا.
تمرين 15.11 ★★
تريد طاهية أن تعرف أيسخن الحساء الغالي أكثر كلما طال غليانه. فتقيس: بعد دقيقة من الغليان ؛ وبعد عشر دقائق أيضًا. فماذا يعلّمها ميزان الحرارة عن الماء الغالي — وعن معلمَي الماء؟
حل
حل التمرين 15.11.
يبقى الماء الغالي عند مهما طال غليانه — فالمعلم سقف: والتسخين الزائد يصنع بخارًا أكثر، لا ماءً أسخن. ولهذا بالضبط أمكن اختيار معلمًا موثوقًا من البداية.