الفصل الأول

درجة الحرارة

(١) تجربة التُّرمُس

صُبَّ نصف الماء البارد الموجود في التُّرمس (ب) في الوعاء (د) ثم أدخِل الوعاء (د) في التُّرمس (أ). درجة الحرارة النهائية للماء في كلٍّ من التُّرمس (أ) والوعاء (د) ستكون ٦٠ درجة مئوية. بعد ذلك صُبَّ الماء الموجود في الوعاء (د)، الذي تبلغ درجة حرارته ٦٠ درجة مئوية، في التُّرمس (ﺟ). كرِّر الخطوات مع النصف الثاني من الماء البارد الموجود في الترمس (ب)، مستخدِمًا التُّرمس (أ) والوعاء (د). ستكون درجة الحرارة النهائية في الوعاء (د) والتُّرمس (أ) حوالي ٤٧ درجة مئوية. بعد ذلك صُبَّ الماء الموجود في الوعاء (د) في التُّرمس (ﺟ)، وستكون درجة الحرارة النهائية للتر الماء الموجود في التُّرمس (ﺟ) حوالي ٥٣ درجة مئوية. أما الماء الموجود في التُّرمس (أ) فستكون حرارته ٤٧ درجة مئوية.

(٢) غلي الماء بالماء المغلي

الجواب هو: لا. يغلي الماء الصافي عند ١٠٠ درجة مئوية. وحين يصل الماء الموجود في الوعاء الأصغر إلى درجة حرارة ١٠٠ درجة مئوية، لن تنتقل أيُّ طاقة حرارية من الماء المغلي إلى الماء الموجود في الوعاء الأصغر الذي درجة حرارته ١٠٠ درجة مئوية. يستلزم تحويل الماء إلى بخار عند حرارة ١٠٠ درجة مئوية ٥٨٠ سُعرًا حراريًّا إضافيًّا لكل جرام. ومن ثم، لا يحدث أيُّ غليان.

(٣) الغاز والبخار

نعم، هناك فارق. فالبخار هو غاز تحت درجة الحرارة الحرجة. في حالة الماء تكون درجة الحرارة الحرجة ٣٧٤ درجة مئوية. وفوق هذه الدرجة لن يتكثَّف بخار الماء على صورة قُطَيرات، مهما كان مقدار الضغط المعرَّض له.

عادةً ما تُستخدم كلمة «بخار الماء» للإشارة إلى كلٍّ من بخار الماء غير المرئي والشبورة المرئية من قُطَيرات الماء. وبخار الماء هو البخار الذي يتصاعد من الماء عند درجة الغليان أو ما فوقها؛ أي عند ١٠٠ درجة مئوية. وفي خبراتنا الحياتية اليومية، نرى بخار الماء وهو يتصاعد من غلاية الشاي!

(٤) ثلج في ماء مغلي

يظل الماء الموجود في قاع الأنبوب فاترًا بما يكفي كي يذوب الثلج ببطء شديد للغاية. الماء الساخن في الأعلى أقل كثافة ويظل في الأعلى، وتَحُدُّ الموصلية الرديئة للماء من معدَّل نقل الطاقة الحرارية إلى قطعة الثلج بالأسفل؛ وبذا تعمل العوامل الفيزيائية المهمة في صالح قطعة الثلج.

  • Iona, M. “Another View by Iona.” Physics Teacher 28 (1990): 444-445.

(٥) قُطَيْرتان من الزئبق

لنفترض أننا في حالة مثالية لا يحدث فيها انتقال للحرارة من القُطَيْرتين إلى البيئة المحيطة بهما. يمكننا الجزم بأن مساحة سطح القُطَيْرة الجديدة أقل من مساحة سطح القُطَيْرتين الأصليَّتَيْن. والنقص في مساحة السطح يعني نقصًا في طاقة التوتر السطحي المطلوبة لجذب الزئبق كله حتى يحافظ على شكله. ومن ثم ترفع الطاقة الإضافية درجة حرارة القُطَيْرة النهائية. وإذا حدثت هذه العملية على سطح مستوٍ فاتر الحرارة، على غرار لوح زجاجي، على المرء أيضًا أن يتدبَّر تغيُّرات طاقة وضع الجاذبية، ومن الممكن حتى أن يكون التغيُّر في درجة الحرارة أكبر.

(٦) الطائر الزجاجي

يحصل الطائر الزجاجي المعروف على طاقته من الاختلاف في درجة الحرارة بين جسمه ورأسه. يكون الانتفاخ الزجاجي في درجة حرارة الغرفة، أما الرأس فيكون أبرد بسبب تبخُّر الماء من مساحة السطح الكبيرة للمادة الموجودة خارج رأسه ومنقاره. في ظل هذا الاختلاف في درجة الحرارة، يكون ضغط البخار في جزء الجسم أكبر من الضغط الموجود داخل الرأس؛ ومن ثم يُدفَع بعض كلوريد الميثيلين إلى أعلى الأنبوب، مغيِّرًا موضع مركز الجاذبية؛ بحيث ينزل الرأس لأسفل وينغمس المنقار في الماء. وفي ذلك الموضع، يكون الطرف السفلي للأنبوب معرَّضًا للبخار، ويتسرَّب السائل مجدَّدًا إلى الانتفاخ الزجاجي في قاع الجسم؛ ومن ثم ينتصب الطائر، وتبدأ الدورة من جديد.

  • Bachhuber, C. “Energy from the Evaporation of Water.” American Journal of Physics 51 (1983): 259–265.
  • Crane, H. R. “What Does the Drinking Bird Know about Jet Lag?” Physics Teacher 27 (1989): 470.
  • Mentzer, R. “The Drinking Bird: The Little Heat Engine That Could.” Physics Teacher 31 (1993): 126.

(٧) حرارة الغرفة

على عكس المتوقَّع، ستظل الطاقة الإجمالية للهواء في الغرفة كما هي. فحين تُزاد حرارة الهواء بواسطة المدفأة، يتمدَّد الهواء الموجود داخل الغرفة ويتسرَّب بعضُه إلى الخارج عبر المسامِّ والشقوق الموجودة في الجدران. وهذا الهواء المتسرِّب يحمل معه الطاقة التي أضافتها عملية التدفئة.

في حالة معاملة الهواء معاملة الغاز المثالي، فإنه في حالة ثبات الضغط يكون محتوى طاقة الهواء الموجود داخل الغرفة مستقلًّا عن درجة الحرارة. ومن واقع العلاقة تعرف أن الزيادة في الحجم تتناسب طرديًّا مع الزيادة في درجة الحرارة عند ثبات مستوى الضغط . هو ثابت الغاز، و هو عدد مولات الغاز في الحالة المثالية. تخيَّل الغرفة وقد تمدَّدت إلى حجمها الجديد الأكبر بينما هي تحمل العدد عينه من المولات . إذا اقتطعتَ من هذا الحجم الأكبر غرفةً لها ذات الحجم الأصلي، فإنك بهذا ستكون قد قلَّلت العدد بالمعامل نفسه. ومن ثم تخبرنا علاقة الغاز المثالي أن الطاقة الإجمالية هي نفسها كما سبق.

(٨) الارتجاف في درجة حرارة الغرفة

الارتجاف ليس استجابة الجسم الطبيعية؛ لأنه لا يحدث نقل كثير للطاقة الحرارية في كل ثانية. وعلى سبيل التبسيط، سنتجاهل التأثيرات الحرارية المرتبطة بارتداء الملابس. وهنا يكون لدينا ثلاثة عوامل على الأقل يجب وضعها في الحسبان:
  • (١)

    سطح الجلد يكون في درجة حرارة أقل بكثير من درجة حرارة الجسم الداخلية البالغة ٣٧ درجة مئوية.

  • (٢)

    الهواء موصِّل رديء للحرارة، ودون تيارات حمل حراري يكون نقل الطاقة الحرارية بواسطة موصلية الهواء غير كفء.

  • (٣)

    تبخُّر الماء من سطح الجلد يعتمد على سرعة الهواء بالجوار. إذا كان الهواء ساكنًا، تتكوَّن طبقة ساكنة من الهواء الدافئ على الجلد، ويكون معدَّل التبخُّر صغيرًا. لكن نسمة هواء لطيفة سرعتها ٣ أميال في الساعة تضاعِف تأثير التبرُّد الريحي عند مقارنتها بالهواء الذي يتحرَّك بسرعةٍ تقلُّ عن ميل واحد في الساعة.

(٩) تسخين كرتين متماثلتين

الجواب هو: لا؛ فالكرة المعلَّقة ستكون أدفأ. التغيرات في طاقة وضع الجاذبية للكرتين ستكون مختلفة مع تمدُّد الكرتين. بعضٌ من الطاقة الحرارية سيعمل على رفع مركز الجاذبية للكرة الموضوعة على الطاولة؛ بحيث ترتفع حرارتها بدرجة أقل من المتوقَّع. يعمل تمدُّد الكرة المعلَّقة على خفض مركز جاذبيتها؛ بحيث ترتفع حرارتها بدرجة أكبر من المتوقَّع.

(١٠) شواء الهمبورجر

ينضج الهمبورجر على نحو أسرع حين لا تكون الطبقة الخارجية محترقة، وهو ما يحدث عادةً عند طَهْيِه على نار عالية على الشواية. فاللحم المحترق في الطبقة الخارجية موصِّل رديء للحرارة؛ ومن ثم يستغرق اللحم بالداخل وقتًا أطول في الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة. وتعلِّمنا الخبرة هذه القاعدة الحكيمة: الهمبورجر الذي يُشوَى ببطء ينضج على نحو أسرع.

(١١) شواء الهمبورجر مقارنةً بشواء قطعة لحم صافية

في حالة قطعة اللحم الصافية، معظم بكتيريا السطح ستكون موجودة على المنطقة الخارجية لا الداخلية، وستُقتَل بسرعة عند تسخين قطعة اللحم. أما في حالة اللحم المفري، فإن بكتيريا السطح منتشرة داخل شطيرة الهمبورجر؛ لذا يجب شواء الهمبورجر بشكل تام من أجل القضاء على هذه البكتيريا.

(١٢) الأميال المقطوعة

جالون البنزين البارد يجعل السيارة تقطع عددًا أكبر من الأميال؛ لأنه يحتوي على المزيد من الجزيئات. شأن غيره من المواد، يتمدَّد البنزين عندما تزيد درجة حرارته. وإذا لم يتمدَّد وعاء القياس هو الآخر لتعويض الزيادة بالضبط، فلن يؤدي جالون البنزين الفاتر إلى قَطْع العدد نفسه من الأميال.

(١٣) النقطة الثلاثية للماء

عند درجة حرارة ٢٧٣٫١٦ درجة كلفنية توجد أطوار الماء الثلاثة كلها — الصُّلبة والسائلة والغازية — معًا في حالة توازن في وعاء مغلق دون وجود أي مادة أخرى. يُنتِج بخار الماء المشبع الضغط. وإذا تم اكتساب، أو فَقْد، قدر طفيف من الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة أو إليها، فستظل درجة الحرارة كما هي. وإذا دخل بعض الطاقة إلى النظام، فسيذوب بعض الثلج كي يقلِّل حجم الطَّورين السائل والصلب بقدر طفيف، لكن سيحدث قدرٌ إضافيٌّ قليلٌ من التبخر للحفاظ على ثبات الضغط.

(١٤) أخلاط الأملاح الباردة

غالبية الأخلاط المتجمدة المكوَّنة من الملح والثلج توظِّف المواد عينها من أجل توفير الطاقة الحرارية كي تذيب نفسها. فبادئ ذي بدء، إضافة الملح إلى الماء تُخفِّض درجة تجمد الماء؛ لأن جزيئات الملح (وأيوناته) تدخل بين جزيئات الماء كي تعيق محاولاتها للارتباط. ومن ثم سيذوب بعضٌ من الملح بصورة فورية، وهو تغيُّر فيزيائي يتطلَّب ٨٠ سُعرًا حراريًّا لكل جرام من الثلج. هذه الطاقة سوف تُنقَل من الثلج غير الذائب والماء المجاورين. وتضمن تأثيرات الترشيح حدوث الخلط بصورة جيدة؛ بحيث إنه حتى آخر حبيبات الثلج المجروش ستذوب كي تصنع محلولًا ملحيًّا باردًا للغاية.

على المستوى المجهري، تكون بعض طاقة النقل الأصلية لجزيئات الماء قد زادت من طاقة الوضع الكهربائية لجزيئات الثلج. وبما أن طاقة الحركة العشوائية الأصلية لجزيئات الماء تتقاسمها الآن جزيئات الماء الأصلية وتلك الجزيئات المرتبطة في البداية داخل الثلج، فإن متوسط طاقة الحركة العشوائية لكل جزيء يكون أقل (بمعنى أن درجة حرارة الخليط تكون أقل).

(١٥) تبريد أم تدفئة؟

عند النفخ في يديك برفق، أنت تُخرِج ثاني أكسيد الكربون البالغ درجة حرارته ٣٧ درجة مئوية من رئتيك كي تدفئ الجلدَ ذا درجة الحرارة الأقل في يديك. أما عند النفخ بقوة في يديك فيحدث أمران: (١) يُدفَع هواء الغرفة الأبرد إلى تيار الهواء بواسطة تأثير برنولي. (٢) يكون هناك المزيد من البخر من الجلد لكل ثانية، وهو ما يتطلَّب طاقة حرارية من السطح. وهذان التأثيران يعطيان إحساسًا بالبرودة.

(١٦) تكييف الهواء في الطائرات الحديثة

استخلاص الهواء النقي من خارج الطائرة على ارتفاع ٣٠ ألف قدم أمرٌ مكلِّف من منظور الطاقة. فالهواء النقي يجب أولًا أن يُضغَط إلى ما يقارب وحدة ضغط جوي واحدة، وهو ما يرفع درجة حرارته بدرجة كبيرة فوق درجة الحرارة الطبيعية لكبائن الطائرات، ثم يُبرَّد حتى درجة الحرارة الملائمة. وهاتان العمليتان كلتاهما تتطلَّبان مقدارًا كبيرًا من طاقة الوقود، وهو ما يمكن استخدامه في الطيران لمسافة أكبر. ومن ثم، يمكن توفير الوقود عن طريق إعادة تدوير نسبة كبيرة من الهواء وجلب نسبة أقل من الهواء النقي لكل ميل من السفر. يزعم البعض أن هذه الزيادة في إعادة تدوير الهواء في درجة حرارة الغرفة تؤدِّي أيضًا إلى إعادة تدوير المزيد من البكتيريا، وهو ما يمكن أن يسبِّب مشكلات صحية.

(١٧) لهب الشمعة

تنطفئ الشمعة ويرتفع مستوى الماء في الكوب. مع احتراق الشعلة، يصير الغاز الموجود داخل الكوب دافئًا ويتمدَّد. بعض الغاز سيخرج من تحت فوهة الكوب على صورة فقاقيع (من شأن إلقاء نظرة حريصة على الفقاقيع أن يؤكد هذه العملية). وحين يقلُّ اللهب بفعل قلَّة الأكسجين، يبرد الجزء المتبقي من الغاز المحتبَس، ويقل ضغطه، ويَدفع الضغط الجوي المحيط المزيدَ من الماء داخل الكوب. وفي النهاية لا يتبقَّى أي أكسجين لعملية الاحتراق؛ ومن ثم ينطفئ لهب الشمعة.

يعتقد الكثيرون مخطئين أن جزيئات الأكسجين المحترق مع جزيئات الهيدروكربون الخاصة بشمع الشمعة الآخذة في التبخر تقلِّل من عدد الجزيئات في الغاز الموجود فوق السائل. بَيْد أن هذا ليس صحيحًا. فسيكون عدد الجزيئات الناتجة عن عملية الاحتراق هذه أكبرَ من عدد الجزيئات المتفاعلة في البداية. كمثال، انظر إلى المعادلة الكيميائية الموزونة:

حيث ينتِج ٢١ جزيئًا في بداية التفاعل ٢٦ جزيئًا في نهايته.

(١٨) مكبسٌ في كأسٍ زجاجية

الفضاء المغلق فوق سطح السائل يحتوي على البخار المشبع الخاص به. إذا رُفع المكبس ببطء، يُملأ الفضاء إلى الضغط الجوي بواسطة بخار الماء المشبع؛ ومن ثم، لا يتغيَّر مستوى الماء داخل الأنبوب.

أما إذا رُفع المكبس بسرعة، فسيكون ضغط البخار داخل الأنبوب أقل من الضغط الجوي؛ لأن بخار الماء لن يتكوَّن بالسرعة الكافية. ومن ثم يرتفع الماء حتى ارتفاع يُعادل معه الضغط الجوي بواسطة مجموع الضغط الهيدروستاتيكي وضغط البخار المشبع. وفي النهاية، سيقوم ضغط بخار الماء بدفع الماء لأسفل مجددًا. في حالة الماء المغلي، سيظل ضغط البخار ثابتًا؛ سواء ارتفع المكبس بسرعة أم ببطء.

(١٩) قهوة باللبن

تكشف النتائج التجريبية أن القهوة السادة تبرد أسرع من القهوة باللبن في ظل نفس الظروف، وذلك بنسبة تصل إلى نحو ٢٠ بالمائة. إن أيَّ هبَّة هواء يمكن أن يكون لها تأثير بالغ على معدل التبريد؛ لذا يجب عقد المقارنات في الهواء الساكن وأن تكون ظروف العزل واحدة. يتناسب وقت التبريد إذن تناسبًا طرديًّا بالتقريب مع نسبة الحجم إلى مساحة السطح الإجمالية للسائل، وذلك في ظل تساوي الظروف الأخرى كافة. ينص قانون نيوتن للتبريد على أن معدل التبريد يتناسب طرديًّا مع الفارق في درجة الحرارة بين السطح الخارجي لقدح القهوة والهواء المحيط. وهذا القانون يصحُّ على الدوام تقريبًا.

وفي ظل معظم الظروف داخل المنازل، على المرء أن يضيف اللبن أولًا إذا كان وقت الانتظار أقل من عشر دقائق أو نحو ذلك. ورغم أن انحدار منحنَيَيِ التبريد مختلفان، فإنهما لا يتقاطعان؛ لأن الحرارة تقل بقِيَم أُسِّيَّة.

  • Rees, W. G., and C. Viney. “On Cooling Tea and Coffee.” American Journal of Physics 56 (1988): 434–437.

(٢٠) لغز الطاقة

لقد تحوَّل نصف طاقة وضع الجاذبية إلى طاقة حرارية بواسطة الاحتكاك الداخلي والاحتكاك مع الجدران. ومن دون الاحتكاك سيظل السائل يتأرجح بين الوعاءَيْنِ إلى الأبد.

(٢١) إزالة الرطوبة

عندما يبرد الهواء الدافئ، تتكوَّن قُطَيرات ماء دقيقة من بخار الماء. سيحدث المزيد من التصادمات البطيئة السرعة بين جزيئات الماء على درجات الحرارة الأكثر انخفاضًا؛ ومن ثم يتكثَّف المزيد منها على صورة قُطَيرات ماء. الهواء البارد الرطب ليس مريحًا مثل الهواء البارد الأكثر جفافًا؛ لذا تكون إزالة الرطوبة عملية ضرورية.

(٢٢) تبريد الهواء بواسطة الثلاجة

في البداية، سيؤدِّي الهواء البارد الموجود داخل الثلاجة إلى تبريد المطبخ بدرجة طفيفة؛ وذلك اعتمادًا على الحجمين النسبيَّين للثلاجة والمطبخ، وعملية الامتزاج، والفارق في درجة الحرارة بينهما. ومع ذلك، عندما يعمل محرِّك الثلاجة مجدَّدًا، سيُطلَق من الطاقة الحرارية إلى داخل المطبخ عن طريق أنابيب التبريد الموجودة خلف الثلاجة مقدارٌ أكبر من مقدار الهواء البارد المنبعث من مقدمة الثلاجة، وذلك على النحو الذي يمليه القانون الثاني للديناميكا الحرارية؛ ومن ثم سيصير المطبخ أدفأ.

(٢٣) الهواء والماء

رغم أن كُلًّا من الهواء والماء الساكنين يوصِّلان الحرارة على نحو رديء، فإن الماء لا يزال موصِّلًا أفضل للحرارة مقارنة بالهواء. والمعدَّل الأعلى من الطاقة الحرارية «المتدفِّقة» من جسدك إلى ماء حمام السباحة يجعلك تشعر بأن الماء أشد برودةً من الهواء.

(٢٤) تبريد الماء الساخن والبارد

في ظل ظروف معينة سيبرد الماء الساخن بسرعة أكبر من الماء البارد ويبدأ في التجمد أولًا!

بادئ ذي بدء، لاحِظْ أن الدلوين ليس لهما غطاءان، وتذكَّر أن الخشب موصِّل رديء للغاية للحرارة. تصحُّ الحجة التالية بدرجة كبيرة في حالة الدلوين الخشبيَّتين، لكنها لن تصحَّ بنفس الدرجة لو كانت الدلوان مصنوعتين من مادة موصِّلة جيدًا للحرارة.

التأثير المبرِّد الأساسي هو البخر السريع من السطح العلوي للماء الساخن، متبوعًا باختلاط كبير للماء البارد والساخن من القمة وصولًا إلى القاع. يتسبَّب البخر إضافةً إلى الحمل الحراري في وجود معدل سريع من نقل الطاقة الحرارية إلى البيئة المحيطة لو كانت درجة الحرارة الابتدائية مرتفعة بما يكفي. في حالة هاتين الدلوين الخشبيَّتين يكون معدَّل نقل الطاقة الحرارية أكبر بعدة مرات من معدَّل النقل بواسطة التوصيل من خلال الجدران الخشبية للدلوين. علاوةً على ذلك، قد يتبخر ما يصل إلى ٢٦ بالمائة من الماء في دلو الماء الساخن تمامًا، وهو ما يترك كمية أقل من الماء للتجمُّد.

كما أوضحنا، فإن فقدان الكتلة الذي يتسبَّب فيه البخر أثناء التبريد يكون كبيرًا. وكمثال متطرِّف على الأمر، الماء الذي يبرد من درجة حرارة ١٠٠ درجة مئوية إلى درجة الصفر المئوي سيفقد ١٦ بالمائة من كتلته، و١٢ بالمائة أخرى من الماء ستُفقَد في عملية التجمد؛ ومن ثم يبلغ إجمالي الفَقْد في الكتلة: ١٦٪ + ١٢٪ × (١٠٠ – ١٦) = ٢٦٪.

كان فرانسيس بيكون قد تحدَّث عن هذا التبريد السريع للماء الساخن في كتابه «الأداة الجديدة» (١٦٢٠م). وفي المناطق التي تشهد فصول شتاء طويلة، مثل كندا والدول الاسكندنافية، صار الأمر جزءًا من الموروث الشعبي المألوف. على سبيل المثال، يُعتقد أنه ينبغي ألا تغسل السيارة بالماء الساخن؛ لأن الماء سيتجمد وقتها على السيارة بسرعة أكبر مما لو غُسلت بالماء البارد، كما أنه ينبغي غمر حلبة التزلج على الجليد بالماء الساخن؛ لأنه سيتجمد بسرعة أكبر من الماء البارد.

  • Auerbach, D. “Supercooling and the Mpemba Effect: When Hot Water Freezes Quicker Than Cold.” American Journal of Physics 63 (1995): 882–885.
  • Chalmers, B. “How Water Freezes.” Scientific American 238 (1959): 114–122.

(٢٥) التزلج على الجليد في يوم بارد للغاية

يكون معامل الاحتكاك الساكن أكبر بكثير حين يكون سطح الجليد أشد برودةً؛ ومن ثم، ستكون القيمة القصوى للاحتكاك الساكن أكبر بكثير هي الأخرى؛ وبذا يصير التزلُّج صعبًا للغاية.

ملحوظة: سطح الجليد الذي تُقارِب حرارته الصفر المئوي يكون دائمًا مغطًّى بطبقة رقيقة من الماء تخفِّف الاحتكاك بين سطح الجليد والزلَّاجات. في الواقع، كل المواد الصُّلبة البسيطة تغطِّي أسطُحَها طبقةٌ رقيقة من السائل، حتى وهي في درجة حرارة تقل كثيرًا عن نقطة انصهارها؛ وسبب هذا هو أن الطاقة الحرة للسطح تقلُّ عندما تكون طبقة السطح الرقيقة في الحالة السائلة.

أيضًا لاحظ أنه لا يوجد تحقُّق تجريبي من أن الضغط الواقع على مساحة الاتصال الصغيرة الخاصة بمزلجة الجليد يبلغ من القوة ما يكفي لأن يتسبَّب في ذوبان بعض الجليد على السطح. ومن المعروف أن ضغطًا مقداره نحو ١٤٠ وحدة ضغط جوي سيكون مطلوبًا للتسبُّب في انصهار الجليد، وهو مقدار أكبر بكثير من ذلك الذي تتسبَّب فيه المزلجة الحادة!

  • Wettlaufer, J. S., and J. G. Dash. “Melting Below Zero.” Scientific American 282 (2000): 50–53.
  • White, J. D. “The Role of Surface Melting in Ice Skating.” Physics Teacher 30 (1992): 495–497.

(٢٦) صرير الثلج

في درجة حرارة تُقارِب الصفر المئوي، تعمل طبقة رقيقة من الماء تغطِّي كلَّ بلَّورة من بلَّورات الجليد على تخفيف الاحتكاك بين البلورات بعضها ببعضٍ عندما يضغط عليها حذاؤك أثناء السير عليها. لكن في درجات الحرارة الأدنى كثيرًا من ذلك لا توجد هذه الطبقة الرقيقة من الماء على بلَّورات الجليد؛ ومن ثم يُصْدِر الاحتكاك بينها — الذي يتسبَّب فيه ضغطُ حذائك — تلك الذبذبةَ الصوتية المسلِّيَة التي نسميها «الصرير».

(٢٧) التصاق مكعبات الثلج

تتلامس مكعبات الثلج الموضوعة في دلو بعضها مع بعض في مساحات صغيرة. في الأصل، كل مكعب ثلج تغطِّي سطحَه طبقةٌ رقيقة للغاية من الماء، لكن في منطقة التَّمَاسِّ لا يكون هناك مساحة من السطح معرَّضة للهواء؛ ومن ثم يُزال القليل من الطاقة الحرارية من الماء، ويحدث التجمد، وتلتصق مكعبات الثلج معًا، وهي العملية التي تسمَّى «تلبيد الثلج». فما يحدث بالأساس هو أن الطاقة الحرة تتعادل على السطح وفي المادة الصلبة.

(٢٨) الثلج الساخن

الجواب هو: نعم. عند ٢٠ ألف وحدة ضغط جوي، يذوب الثلج عند حرارة ٧٦ درجة مئوية، وهي درجة كافية لحرق الجلد البشري!

(٢٩) بِرْكَة والدِن في الشتاء

تَدين الأسماك وكل الكائنات الحية بحياتها لحقيقة أن الماء يتمدَّد بين أربع درجات مئوية وبين الصفر المئوي؛ فلولا ذلك لكانت الحياة بكل صورها قد فَنِيَت خلال أحد العصور الجليدية القديمة.

وإليك السبب: لنبدأ عند درجة حرارة ٦ درجات مئوية لكلٍّ من الماء والهواء ثم نخفض درجة حرارة الهواء الموجود فوق الماء ببطء. عند ٥ درجات مئوية، يصير الماء الموجود على السطح والبالغة درجة حرارته ٥ درجات مئوية أكثرَ كثافة من الماء الموجود أدناه والبالغة درجة حرارته ٦ درجات مئوية؛ ومن ثم يحدث امتزاج؛ بحيث يصعد الماء الأدفأ إلى السطح ويهبط الماء الأبرد إلى القاع. وعند درجة حرارة ٤ درجات مئوية يكون الماء أيضًا أكثر كثافةً؛ لذا تستمر عملية الامتزاج ويهبط الماء الأبرد بحيث تصير حرارة القاع ٤ درجات مئوية.

لكن عند درجة حرارة ٣ درجات مئوية يكون ماء السطح أقل كثافةً؛ لذا يظل هذا الماء البالغة درجة حرارته ٣ درجات مئوية على السطح ولا تحدث عملية الامتزاج. هذا يعني أن الماء في الأعماق المنخفضة لا تقل حرارته عن ٤ درجات مئوية؛ لأنه لم يَعُد بالإمكان أن يبرد على نحو جيد. فالتبريد يحدث وقتها فقط عن طريق التوصيل، وهي عملية رديئة تمامًا مقارنةً بتيارات الحمل الحراري التي كانت تحدث من قبل.

وحين يتكوَّن الجليد على السطح تكون موصليته الحرارية أسوأ من الماء؛ لذا يعمل الجليد عمل العازل الحراري بين الماء والهواء البارد؛ ومن ثم لا يتجمد الماء الموجود أدناه، وتستمر الحياة.

(٣٠) إطفاء مصابيح الإضاءة

خلال فصل الشتاء لا تتحقَّق من منظور الطاقة أي فائدة من وراء إطفاء مصابيح الإضاءة المتوهجة. أما في فصل الصيف، فالضوء الإضافي يضيف إلى الغرفة طاقة حرارية يجب التخلص منها بواسطة مكيِّف الهواء؛ لذا من المستحسن إطفاء المصابيح الكهربائية.

مصابيح الإضاءة المتوهجة مصادر جيدة جدًّا للحرارة، وحتى الضوء المنبعث منها (نحو ١٠٪ من الطاقة) سيتحول في نهاية المطاف إلى طاقة حرارية عندما تمتصه الجدران والأثاث وغير ذلك من الأشياء.

في فصل الشتاء، يجب تعويض الطاقة الحرارية التي لم تعد توفِّرها المصابيح المطفَأَة من خلال منظومة التدفئة، التي لا تكون دومًا في نفس كفاءة عملية توليد ونقل الكهرباء. ومع ذلك، تَرْك المصباح مُضاءً قد يكلفك المزيد من المال؛ لأن الكهرباء تكون عادةً طريقة أكثر تكلفةً لتدفئة المباني. أيضًا، تتكلَّف المصابيح الكهربائية أموالًا عند استبدالها.

  • P. A. Bender. “Lights as Heaters.” Physics Teacher 13 (1975): 69.

(٣١) غلاية الشاي المعدنية

ليس خطيرًا، ما دام المقبض المعدني مصنوعًا من الصلب الذي لا يصدأ أو أي مادة أخرى توصِّل الطاقة الحرارية على نحو رديء. بعض أنواع الصلب الذي لا يصدأ يُعَدُّ موصِّلًا رديئًا للغاية للحرارة.

(٣٢) الغسيل المتجمِّد

يتسامى الثلج من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة.

(٣٣) آيس كريم باللبن

يستشعر اللسان وجدران الفم المعدَّلَ الذي تنتقل به الطاقة الحرارية من الأنسجة الحيَّة إلى مزيج الآيس كريم. إذا كان الآيس كريم مكوَّنًا بالأساس من بلَّورات ثلجية مجروشة، فمن شأن إضافة اللبن أن تزيد مساحةَ التلامس على نحو كبير؛ ومن ثم ستستشعر انتقال قدر أكبر من الطاقة الحرارية في كل ثانية. ولهذا تشعر أن المزيج أكثر برودةً. علاوةً على ذلك، السائل موصِّل حراري أفضل بكثير من بلَّورات الثلج، التي ينحبس الهواء الساكن داخلها (بمعنى أنه لا توجد بها تيارات حمل حراري)؛ ولهذا ستشعر أن المزيج أكثر برودةً. وكِلَا التأثيرين يُسهمان في إحساس البرودة.

(٣٤) ارتداء قبعة في الشتاء

يمكن أن يجري نحو ٣٠ بالمائة من تبريد الجسم عن طريق الرأس. وارتداء قبعة يمكنه أن يقلِّل هذا التبريد على نحو فعال للغاية من أجل المساعدة في الحفاظ على دفء الجسم. وبالمناسبة، كان أرسطو يرى أن الرأس عاملُ تبريد عظيم للجسم.

(٣٥) ترك السيارة بالخارج

في الليلة الصافية، سقف السيارة «يرى» سماء الليل الكونية، التي لها درجة حرارة مقدارها نحو ٢٨٥ درجة كلفنية؛ ومن ثم يُشِعُّ السقف مقدارًا كبيرًا من الطاقة في كل ثانية ويبرُد. تتكثَّف الرطوبة الموجودة في الهواء أعلى سقف السيارة؛ ولهذا يكون مبلَّلًا في الصباح.

لكن في الليلة الغائمة، لا يستطيع السقف «رؤية» سماء الليل. وبدلًا من هذا فالسقف «يرى» السُّحب، التي تكون حرارتها أعلى من درجة الصفر المئوي (نحو ٣٠٠ درجة كلفنية)؛ لذا يظل السقف محتفظًا بنفس درجة حرارة الهواء المحيط، فلا تتكوَّن أي رطوبة.

(٣٦) عبوتان معدنيتان من الماء الساخن لهما لونان مختلفان

في حالة تساوي كل العوامل خلاف اللون، يُفترض بالعبوتين كلتيهما أن تبردا بالمعدَّل ذاته. فكَوْن إحدى العبوتين سوداء اللون والأخرى بيضاء في الجزء المرئي من الطَّيف الكهرومغناطيسي لا يعني أنهما مختلفتان من منظور الأشعة تحت الحمراء. والخصائص المتعلِّقة بالأشعة تحت الحمراء، وليست تلك المتعلِّقة بالضوء المرئي، هي التي تحدِّد معدل البرودة بواسطة الإشعاع.

  • Bartels, R. A. “Do Darker Objects Really Cool Faster?” American Journal of Physics 58 (1990): 244–248.
  • Ristinen, R. A. “Some Elementary Energy Questions and (Wrong) Answers.” American Journal of Physics 50 (1982): 466-467.

(٣٧) ضوء الشمس

ثمة عاملان على الأقل يحدِّدان درجة حرارة الهواء المحيط في الأمتار القليلة الأولى فوق الأرض؛ وهما: درجة حرارة الأرض ومقدار الطاقة الشمسية المباشرة. في الشتاء تكون حرارة الأرض باردة بالفعل؛ لذا تصير تيارات الهواء الدافئ التي تمرُّ بالقرب من الأرض أكثر برودةً. وفي الشتاء يصطدم ضوء الشمس بسطح الأرض بزاوية تقل عن تسعين درجة؛ لذا يوصَّل مقدار أقل من الطاقة لتدفئة الأرض مقارنةً بالصيف. وكلا التأثيرين يميلان إلى إبقاء الهواء المحيط باردًا باعتدال. أيضًا تحدث تأثيرات التبرُّد الريحي وغيرها من التأثيرات الأخرى.

ملحوظة: على عكس ما ينبِئُنا به الحدْس، يتسبَّب ضوء الشمس في مقدار طفيف للغاية من تسخين الهواء بفعل الامتصاص المباشر.

(٣٨) مدفأة الفيزيائي

الجواب هو: نعم. فبدلًا من ترك النار تشتعل بين قطع الحطب، على المرء ترتيب قطع الحطب وتدعيمها بحيث يمكنه رؤية أشد المناطق توهُّجًا من مكانه في الغرفة. هذا الترتيب عادةً ما يتطلَّب إزالة قطعة الحطب التي في المقدمة كي تُترك فتحة مكانها، بينما تحتاج قطع الحطب العلوية أن ترتكن على قطع داعمة. في هذه الحالة سينبعث مقدار أكبر من الأشعة تحت الحمراء إلى الحجرة كي يدفئها.

  • Walker, J. “… On Making the Most of a Fireplace.” Scientific American 257 (1978): 140–148.

(٣٩) إشعاع الجسم الأسود

إشعاع الخلفية الميكروني في الكون تُعادِل درجة حرارته ٢٫٨ درجة كلفنية، ولا يُظهِر أي خطوط امتصاص. أما الإشعاع الصادر عن الفرن فيتشتَّت بفعل خطوط الامتصاص الخاصة بالذرات الموجودة في المادة المصنوع منها الفرن.

(٤٠) تفرُّد الماء*

عند تبريد الماء فإنه يتمدَّد حتى وصوله إلى الدرجات القليلة الأخيرة فوق درجة التجمُّد. وبالمناسبة، يتمدَّد الماء بنسبة قدرها نحو ١١ بالمائة عند انتقاله من الحالة السائلة عند حرارة صفر درجة مئوية إلى الحالة المتجمِّدة عند حرارة صفر درجة مئوية، وهو ما يتسبَّب في انفجار معظم الأوعية الحاوية له، بما في ذلك مواسير المياه الحديدية.

(٤١) نَفْث الهواء الساخن والبارد*

يستطيع أنبوب دوَّامة رانك-هيلش أن يفصل الهواء إلى تيار من الهواء الساخن وتيار من الهواء البارد دون أن يكون به أي أجزاء متحرِّكة؛ لأن الهواء يبرد في البداية عن طريق التمدُّد لدُنْ دخوله فيه. فقُرب المدخل هناك دوَّامة ذات سرعات دوران أكبر قرب محور الأنبوب وسرعات دوران أبطأ قرب جدرانه. الهواء المتحرك صوب الطرف الساخن من الأنبوب يمر بعمليات احتكاك ذات درجة لزوجة عالية بين الهواء الأدفأ بالقرب من المحور والهواء الأبرد، وهو ما يؤدِّي إلى بذل شغل من أجل تسخين المناطق الخارجية للهواء بينما يخرج من الطرف الساخن للأنبوب. يستطيل الهواء الذي يشكِّل قلب الدوامة مع اقترابه من الطرف البارد ويخرج منه.

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢١