ثلاثة مقاييس، كمية فيزيائية واحدة
تقيس سلزيوس وفهرنهايت وكلفن جميعًا الكمية الفيزيائية الأساسية نفسها، درجة الحرارة الديناميكية الحرارية، لكنها تستخدم نقاط صفر مختلفة وأحجام خطوة مختلفة («درجات»)، وهذا هو سبب وجود ثلاث قيم عددية مختلفة لدرجة الحرارة الفيزيائية نفسها حسب المقياس المستخدم للتعبير عنها. وليس أي من المقاييس الثلاثة «أكثر واقعية» من الآخرين بمعنى فيزيائي -- فهي اصطلاحات تسمية مختلفة تُطبَّق على الكمية الحرارية المستمرة نفسها.
من أين جاء فهرنهايت وسلزيوس
ابتكر عالم الفيزياء دانيال غابرييل فهرنهايت مقياس فهرنهايت في أوائل عشرينيات القرن الثامن عشر. واستقر مقياس فهرنهايت في النهاية على نقطتين مرجعيتين مألوفتين الآن، درجة تجمد الماء عند 32 °F ودرجة غليانه عند 212 °F، بفارق 180 درجة بينهما، وما يزال المقياس اليومي المستخدم في الولايات المتحدة.
أما مقياس سلزيوس، الذي اقترحه عالم الفلك أندرس سلزيوس عام 1742، فقد حدد في الأصل 0 عند نقطة غليان الماء و100 عند نقطة تجمده -- وهو عكس الاصطلاح الحديث -- ثم عُكس لاحقًا إلى الترتيب المألوف: 0 °C عند التجمد و100 °C عند الغليان، وكلاهما تحت الضغط الجوي القياسي. ومقياس سلزيوس (بترتيبه المعكوس الحديث) هو المقياس اليومي المستخدم في معظم أنحاء العالم اليوم.
كلفن: المقياس الذي يبدأ عند الصفر المطلق
كلفن هي وحدة SI الأساسية لدرجة الحرارة الديناميكية الحرارية، والمقياس المستخدم في العلوم كافة. وتشترك مع سلزيوس في حجم «الدرجة» نفسه -- فتغير مقداره كلفن واحد مطابق في المقدار لتغير مقداره درجة سلزيوس واحدة -- لكن نقطة صفرها مضبوطة عند الصفر المطلق، النقطة النظرية التي يحمل عندها نظام فيزيائي الحد الأدنى من الطاقة الحرارية، بدلاً من خاصية للماء. ولأن سلزيوس وكلفن يشتركان في حجم الخطوة نفسه، يرتبط المقياسان بإزاحة ثابتة بسيطة (273.15)، لا بضرب مقياس، على عكس العلاقة بين سلزيوس وفهرنهايت.
يساوي الصفر المطلق 0 K بالضبط، و−273.15 °C، و−459.67 °F، ولا يمكن لأي نظام فيزيائي أن ينخفض عنه -- فهو حد أدنى فيزيائي حقيقي لدرجة الحرارة، وليس مجرد قيمة مقيسة باردة جدًا. ولأن كلفن يبدأ عند هذا الصفر الفيزيائي الحقيقي، فإن نسب قيم كلفن ذات معنى فيزيائي بطريقة لا تملكها نسب قيم سلزيوس أو فهرنهايت: فـ200 K تمثل فعليًا ضعف مقياس الطاقة الحرارية لـ100 K، بينما 200 °C ليست أسخن بمقدار الضعف من 100 °C بالمعنى الفيزيائي نفسه، لأن 0 °C نقطة مرجعية اعتباطية (نقطة تجمد الماء) لا صفرًا حقيقيًا.
صيغ التحويل الدقيقة
يستخدم التحويل بين فهرنهايت وسلزيوس صيغة خطية دقيقة مُثبَّتة بالنقطتين المرجعيتين المُعرَّفتين للمقياسين، وليست تقريبًا: °F = °C × 9/5 + 32، وفي الاتجاه العكسي، °C = (°F − 32) × 5/9. ولأن كلفن وسلزيوس يشتركان في حجم الدرجة نفسه ويختلفان فقط بإزاحة ثابتة، فإن التحويل بينهما مجرد جمع أو طرح: K = °C + 273.15.
وإزاحة 273.15 بين سلزيوس وكلفن قيمة مُعرَّفة دقيقة، لا رقمًا مقرَّبًا أو مقيسًا تجريبيًا -- فبعد تنقيح عام 2019 للنظام الدولي للوحدات (SI)، ثُبِّت مقدار الكلفن بقيمة دقيقة معرَّفة لثابت بولتزمان، ما يجعل العلاقة العددية K = °C + 273.15 مسألة تعريف لا قياس.
لماذا لا تحمل كلفن علامة الدرجة
على عكس سلزيوس وفهرنهايت، اللذين يُكتبان برمز الدرجة (°C، °F)، تُكتب الكلفن ببساطة «كلفن»، رمزها K، دون كلمة «درجة» ودون رمز ° -- وهو اصطلاح ثبَّته المؤتمر العام الثالث عشر للأوزان والمقاييس (CGPM) في 1967/68. ويعكس هذا مكانة كلفن كمقياس مطلق مرتبط بنقطة صفر فيزيائية ثابتة، على عكس سلزيوس وفهرنهايت، اللذين يُعرَّفان بالنسبة إلى مرجع اعتباطي (خاصية للماء، في حالة سلزيوس) لا صفرًا فيزيائيًا حقيقيًا.
لذا فإن كتابة «درجات كلفن» أو وضع رمز ° قبل K خطأ استخدام شائع لكنه قديم، لا يتسق مع تعريف الوحدة منذ 1967/68 -- والاستخدام الحديث الصحيح هو ببساطة «300 K»، لا «300 °K» أو «300 درجة كلفن».
جدول تحويل موثَّق
يسرد الجدول أدناه نقاطًا مرجعية فيزيائية مألوفة عبر المقاييس الثلاثة، مفيد للتحقق من سلامة أي نتيجة تحويل فردية مقابل نقطة مرجعية معروفة.
| النقطة المرجعية | سلزيوس | فهرنهايت | كلفن |
|---|---|---|---|
| الصفر المطلق | −273.15 °C | −459.67 °F | 0 K |
| تجمد الماء (1 ضغط جوي) | 0 °C | 32 °F | 273.15 K |
| درجة حرارة الجسم البشري النموذجية | ≈37 °C | ≈98.6 °F | ≈310.15 K |
| غليان الماء (1 ضغط جوي) | 100 °C | 212 °F | 373.15 K |
الأسئلة الشائعة
ما الصيغة الدقيقة لتحويل سلزيوس إلى فهرنهايت؟
°F = °C × 9/5 + 32. فمثلاً، تتحول 20 °C إلى 20 × 1.8 + 32 = 68 °F. وهذه علاقة خطية دقيقة مُثبَّتة بالنقطتين المرجعيتين المُعرَّفتين للمقياسين، وليست تقريبًا.
كيف تحوّل سلزيوس إلى كلفن؟
أضف 273.15: K = °C + 273.15. فمثلاً، تساوي 0 °C (نقطة تجمد الماء) 273.15 K، وتساوي 100 °C (نقطة غليان الماء) 373.15 K. وهذه الإزاحة قيمة مُعرَّفة دقيقة بموجب SI، لا رقمًا مقرَّبًا.
ما هو الصفر المطلق ولماذا يهم؟
الصفر المطلق هو الحد الأدنى النظري لدرجة الحرارة، النقطة التي يحمل عندها نظام فيزيائي الحد الأدنى من الطاقة الحرارية، ويساوي 0 K بالضبط، و−273.15 °C، و−459.67 °F. وهو مهم لأن كلفن يستخدمه نقطة صفر له، وهذا هو سبب إمكانية مقارنة قيم كلفن (على عكس سلزيوس أو فهرنهايت) بمعنى كنسب -- وسبب استحالة أن تنخفض أي درجة حرارة فيزيائية صحيحة عنه.
لماذا تُكتب «كلفن» لا «درجات كلفن»؟
أعاد المؤتمر العام الثالث عشر للأوزان والمقاييس (1967/68) تعريف الوحدة باعتبارها ببساطة «كلفن» (رمزها K)، محذوفًا كلمة «درجة» ورمز ° اللذين تحتفظ بهما سلزيوس وفهرنهايت، ليعكس مكانة كلفن كمقياس مطلق مرتبط بنقطة صفر فيزيائية ثابتة بدلاً من مرجع اعتباطي مثل صفر سلزيوس أو فهرنهايت.
متى نشأ مقياسا فهرنهايت وسلزيوس؟
ابتكر دانيال غابرييل فهرنهايت مقياسه في أوائل عشرينيات القرن الثامن عشر. واقترح أندرس سلزيوس مقياسه عام 1742، في الأصل بنقطتين مرجعيتين معكوستين (0 عند الغليان، 100 عند التجمد) عن الاصطلاح الحديث، ثم عُكس لاحقًا إلى الترتيب المألوف اليوم: 0 °C عند التجمد / 100 °C عند الغليان.
المراجع
- National Institute of Standards and Technology (NIST) -- Special Publication 811: Guide for the Use of the International System of Units (SI), 2008 Edition.
- Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) -- The International System of Units (SI Brochure), 9th edition, 2019.
- Bureau International des Poids et Mesures -- Resolution 3 of the 13th General Conference on Weights and Measures (CGPM), 1967/68, definition of the unit kelvin.