في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نستخدم الترمومترات بطريقة صحيحة لقياس درجة حرارة السوائل والغازات.
تُعَد درجة الحرارة مقياسًا لمدى سخونة المادة أو برودتها. ويمكننا قياس درجة حرارة أي مادة باستخدام أداة تُسمَّى الترمومتر. يوجد نوعان من الترمومترات: الترمومترات التناظرية، والترمومترات الرقمية.
يوضِّح الشكل الآتي ترمومترًا تناظريًّا.
تُصنَع الترمومترات التناظرية عادةً من الزجاج مع وجود سائل أحمر اللون بداخلها. وهذا السائل يرتفع أو ينخفض مع ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها. يُوجَد تدريج مطبوع لدرجة الحرارة على الترمومتر، وعادةً ما يكون بالدرجات سلزية أو بالدرجة بالفهرنهايت أو بكلتيهما معًا.
إذا نظرنا عن قرب إلى الترمومتر، فسنرى علامات تناظِر قيمًا محدَّدة لدرجة الحرارة. وتكون العلامة الأقرب إلى قمة السائل الأحمر هي درجة الحرارة التي نقرءها.
لقياس درجة حرارة أي مائع بدقة باستخدام الترمومتر التناظري، ثمة أمور مهمة علينا تذكُّرها:
- اغمر قاع الترمومتر، وهو ما يُسمَّى مستودع الترمومتر، في المائع المراد قياس درجة حرارته. وتأكَّد من أن مستودع الترمومتر لا يمس أي مادة أخرى أو يقترب منها، مثل جوانب الوعاء أو قاعه؛ لأن الترمومتر في هذه الحالة يقيس درجة حرارة أكثر من جسم معًا، بدلًا من قياس درجة حرارة المادة محل الاهتمام.
- عندما تُمسك الترمومتر بطريقة ثابتة، انتظر بعض الوقت ريثما يرتفع السائل الأحمر أو ينخفض أو يظل عند المستوى نفسه. يستغرق الترمومتر التناظري وقتًا حتى يتكيَّف مع محيطه. وقبل أن تقرأ درجة الحرارة المقيسة، يجب أن يكون ارتفاع السائل الأحمر مستقرًّا ولا يتغيَّر على الإطلاق.
- أمسك الترمومتر في وضع رأسي مستقيم، واجعل مستوى نظرك مُحاذيًا لقمة السائل الأحمر. عليك تجنُّب النظر من مستوى أعلى من مستوى السائل أو أدنى منه، فمن شأن هذا أن يُضلِّل عينيك؛ ومن ثَمَّ، تُسجِّل درجة حرارة غير صحيحة.
- إذا دقَّقت النظر جيدًا، فقد تلاحظ أن سطح السائل الأحمر سطح منحنٍ. هذا السطح يُسمَّى بالسطح الهلالي. بوجه عام، يمكن أن ينحني هذا السطح لأعلى أو لأسفل. ويُسمَّى السطح الهلالي المنحني لأعلى سطحًا هلاليًّا محدَّبًا، أما السطح الهلالي المنحني لأسفل، فيُسمَّى سطحًا هلاليًّا مقعَّرًا. وعند إجراء قياس في كلتا الحالتين، فإننا ننظر إلى منتصف السطح الهلالي، ونستخدمه باعتباره مستوى المائع الذي نرصد علامات درجة الحرارة المقابلة له على الترمومتر.
- تكون علامة درجة الحرارة الأقرب إلى مستوى منتصف السطح الهلالي هي درجة الحرارة التي تُسجِّلها باعتبارها القراءة التي حصلت عليها.
يعمل الترمومتر الرقمي بطريقة مماثلة إلى حدٍّ كبير لطريقة عمل الترمومتر التناظري. ولدى الترمومتر الرقمي مستودع لدرجة الحرارة يجب غمره أيضًا في السائل أو الغاز الذي نريد قياس درجة حرارته. وبالمثل، فهو يحتاج إلى بعض الوقت ليصل إلى قراءة مستقرة لدرجة الحرارة.
لكن بخلاف الترمومتر التناظري، فإن الترمومتر الرقمي يُسجِّل درجة الحرارة المقيسة. ولذلك، يقل احتمال وقوع الأخطاء عند قراءة درجة الحرارة باستخدام الترمومتر الرقمي.
نتناول الآن بعض الأمثلة على أخذ قياسات لدرجة الحرارة، مع تقديم تفسير لعدم صحة القراءات في بعض الحالات.
مثال ١: قراءة الترمومتر لقياس درجة الحرارة بالدرجات السلزية
يوضِّح الشكل ترمومترًا يُستخدَم لقياس درجة حرارة الهواء في الخارج. ما قيمة درجة الحرارة التي يُظهِرها الترمومتر؟
الحل
نريد قراءة درجة الحرارة التي يقيسها هذا الترمومتر التناظري. نحصل على درجة الحرارة هذه بالنظر إلى العلامة الأقرب تحاذيًا مع قمة السطح الأحمر في الترمومتر.
إذا دقَّقنا النظر، فسنجد أن الجزء العلوي من السائل الأحمر منحنٍ على شكل سطح هلالي. نلاحظ أن منتصف السطح الهلالي، عندما يكون مستويًا، يحاذي العلامة التي تسبق العلامة مباشرةً. إن كل علامة تمثِّل زيادة بمقدار ؛ ولذا، فإن قراءة درجة الحرارة التي يُظهِرها هذا الترمومتر هي .
مثال ٢: قراءة درجة الحرارة على الترمومتر لأقرب درجة
يوضِّح الشكل ترمومترًا تُرِك في الخارج تحت الظل في يوم حار. ما قراءة درجة الحرارة التي يُظهِرها الترمومتر مُقرَّبة لأقرب درجة؟
الحل
هذا الترمومتر يقيس درجة الحرارة بالدرجات السلزية. ويُشير مستوى السائل الأحمر داخل الترمومتر إلى درجة الحرارة المقيسة. يمكننا ملاحظة أن مستوى السائل يقع بين قيمتَي درجة الحرارة: و.
لكن المستوى أقرب إلى العلامة . ولذا، فإن قراءة درجة الحرارة التي يُظهِرها الترمومتر مقرَّبة لأقرب درجة هي .
مثال ٣: قراءة درجة حرارة تتخطَّى تدريج الترمومتر
وُضِع ترمومتر في وعاء يحتوي على خليط من عصير الفاكهة والسكر سُخِّن ليتحوَّل إلى مربى. سُخِّن الخليط إلى درجة حرارة أعلى من . الترمومتر موضَّح في الشكل الآتي. ما درجة الحرارة المقيسة على الترمومتر؟
- لا يمكن الحصول على قراءة مضبوطة من الترمومتر.
الحل
لقراءة درجة حرارة الترمومتر، علينا إيجاد العلامة التي تحاذي الشريط الأحمر أقرب محاذاة. يُشير هذا الشريط إلى مستوى السائل في الترمومتر.
بالنظر عن قرب إلى هذا المستوى، نجد أنه يتخطَّى أعلى درجة حرارة على الترمومتر. تُناظِر العلامة الأقرب درجة الحرارة ، لكننا لا يمكن أن نسجِّل تلك الدرجة باعتبارها الإجابة؛ لأن الشريط الأحمر يقع خارج نطاق درجات الحرارة الذي تمت معايرة هذا الترمومتر عليه. فبدلًا من تقدير ما ستكون عليه درجة الحرارة إذا كان الترمومتر يحتوي على المزيد من العلامات أو تسجيل درجة حرارة العلامة الأقرب، علينا القول إنه لا يمكننا قراءة درجة الحرارة هذه قراءة مضبوطة من هذا الترمومتر.
وهذا يُناظِر الخيار (د).
مثال ٤: تفسير سبب عدم صحة قراءة درجة الحرارة
تريد دينا قياس درجة حرارة بعض الماء الذي سخِّن إلى درجة حرارة تقترب من نقطة غليانه. تستخدم ترمومترًا تُرِك على طاولة بالغرفة لمدة ساعة. وضعتْ مستودع الترمومتر في الماء، وأخذت القراءة مباشرةً، كما هو موضَّح بالشكل. قدَّرت أن درجة حرارة الماء تساوي . أيُّ العبارات الآتية تفسِّر لماذا تُعَد تلك القراءة غير صحيحة؟
- لم تنتظر حتى تستقر القراءة. درجة حرارة الماء الفعلية أعلى بكثير من .
- يجب أن تضع مستودع الترمومتر فوق سطح الماء مباشرةً. وهذا حيث تكون درجة الحرارة أعلى ما يمكن.
- يجب أن تغمر الترمومتر كله في الماء.
الحل
يخبرنا السؤال بأن هذا الماء قد سُخِّن إلى درجة حرارة تقترب من نقطة غليانه؛ أي ؛ ولذا، نلاحظ على الفور أن القراءة منخفضة جدًّا.
درجة الحرارة هي درجة حرارة الغرفة تقريبًا، ونعلم من السؤال أن الترمومتر تُرِك على الطاولة في الغرفة لمدة ساعة. وبما أن دينا تأخذ قراءة درجة الحرارة المقيسة مباشرةً بعد وضع مستودع الترمومتر في الماء الساخن، إذن يمكننا تكوين فكرة حول كيفية حصولها على درجة الحرارة هذه.
أثناء وجود الترمومتر على الطاولة، استقرت درجة حرارته عند درجة حرارة الهواء المحيط، وهي . وعندما أخذت دينا الترمومتر ووضعته في الماء الساخن، لم تنتظر حتى يستقر الترمومتر على درجة الحرارة. تُشير القراءة التي اعتقدت أنها درجة حرارة الماء إلى درجة حرارة الغرفة بالفعل.
يُشير هذا النمط من التفكير إلى أن الخيار (أ) هو الخيار الأفضل.
ينص الخيار (ب) على أنه كان يجب على دينا وَضْع مستودع الترمومتر فوق سطح الماء. لكنها تريد قياس درجة حرارة الماء، وهو ما يتطلَّب إحاطة مستودع الترمومتر بالماء.
ينص الخيار (ج) على أن طريقة القياس الصحيحة هي غمر الترمومتر بالكامل في الماء، لكن هذا ليس ضروريًّا لقياس الترمومتر درجة الحرارة بدقة. إن مستودع الترمومتر فحسب هو الذي يجب أن يكون محاطًا بالمادة التي نريد قياس درجة حرارتها؛ فغمر الترمومتر بالكامل لن يكون عمليًّا، ويجعل من الصعب أخذ قراءة مضبوطة.
يمثِّل الخيار (أ) أفضل تفسير لعدم صحة القياس.
مثال ٥: تفسير قراءة غير صحيحة لدرجة الحرارة
تسخِّن أميرة ماءً في وعاء نحاسي باستخدام موقد بنسن، كما هو موضَّح بالشكل. تريد قياس درجة حرارة الماء. وضعت ترمومترًا في الوعاء يلامس أحد جوانب الوعاء. أدى ذلك إلى ظهور قراءة درجة حرارة على الترمومتر أعلى من درجة الحرارة الفعلية للماء. أيُّ العبارات الآتية تفسِّر سبب ذلك؟
- الماء الموجود على جوانب الوعاء أكثر سخونة من الماء الموجود في المنتصف؛ لأنه يلامس الوعاء الساخن مباشرةً. من ثَمَّ، يكون متوسط درجة حرارة الماء أقل من قراءة الترمومتر.
- النحاس موصِّل جيد للحرارة، وتنتقل الحرارة من موقد بنسن خلال النحاس الموجود في الوعاء. وبما أن الترمومتر يلامس النحاس الموجود في الوعاء، إذن فهو يقيس جزئيًّا درجة حرارة الوعاء بدلًا من الماء.
- تنتقل تيارات الحمل الخاصة بالماء إلى جوانب الوعاء؛ ومن ثَمَّ، يكون الماء الموجود على جوانب الوعاء أكثر سخونة من الماء الموجود في المنتصف. إذن يكون متوسط درجة حرارة الماء أقل من قراءة الترمومتر.
الحل
يكمن مفتاح حل السؤال في حقيقة أن الوعاء الذي يحتوي على الماء مصنوع من النحاس. ومثل جميع الفلزات، فإن النحاس موصِّل جيد للحرارة. ويمكننا توقُّع أنه يَسخن بمعدل أسرع من الماء.
إذن درجة حرارة الوعاء عند أي لحظة أعلى من درجة حرارة الماء. وعندما وضعت أميرة الترمومتر في الماء مُلامسًا للوعاء، فقد عرَّضت الترمومتر لدرجة حرارة أعلى.
ستكون قراءة الترمومتر مبنية على مزيج من درجة حرارة الماء ودرجة حرارة الوعاء. وبما أن درجة حرارة الوعاء أعلى، إذن لن تعكس القراءة درجة حرارة الماء.
إن أفضل وصف لذلك هو الخيار (ب). لاحظ أن الخيار (أ) يفترض أن الماء في الوعاء في حالة ركود إلى حدٍّ ما، والماء الذي يُسخَّن بهذه الطريقة سيتحرَّك ويختلط بعضه ببعض في جميع أنحاء الوعاء.
النقاط الرئيسية
- تُستخدَم الترمومترات التناظرية والرقمية لقياس درجة حرارة السوائل والغازات.
- لإجراء قياس صحيح باستخدام الترمومتر التناظري:
- اغمر مستودع الترمومتر في المائع الذي تريد قياس درجة حرارته.
- انتظر ريثما يستقر قياس الترمومتر.
- أمسك الترمومتر في وضع رأسي مستقيم، واجعل عينيك في نفس مستوى قمة السائل الأحمر.
- في حال وجود سطح هلالي، اختَر القياس الأقرب إلى مستوى منتصف السطح الهلالي؛ حيث يكون المنحنى مستويًا.
- اقرأ درجة حرارة العلامة الأقرب إلى هذا المستوى.
- بالنسبة إلى الترمومتر الرقمي، اتبع الخطوتين الأوليين، ثم اقرأ درجة الحرارة المسجَّلة.
