(2) قياس درجة الحرارة

للتعبير عن درجة الحرارة، كَمّاً، كان لا بدّ من وجود مقاييس معيارية، وخاصة أن الشعور ببرودة الأشياء أو سخونتها، نسبي إلى حدٍّ كبير. فلو أن هناك ثلاثة أكواب من الماء، في الأول ماء بارد، وفي الثاني ماء دافئ، وفي الثالث ماء ساخن. فإن الإنسان، الذي يضع يده في الكوب الثالث، وينقلها إلى الكوب الثاني، سيشعر أن الماء في الكوب الثاني بارد. وعلى العكس من ذلك، لو أنه وضع يده في الكوب الأول، ثم وضعها في الكوب الثاني، فسيشعر أن الماء في الكوب الثاني ساخن. وتنطلق مقاييس درجة الحرارة من نقاط مرجعية؛ وأحياناً، تسمى نقاط الضبط، من هذه النقاط، مثلاً، درجة حرارة ذوبان الثلج، ودرجة حرارة غليان الماء تحت ضغط جوي محدد. هناك ثلاثة مقاييس شائعة، تقاس بها درجة الحرارة: مقياس كالفن، والمقياس الفهرنهايتي، والمقياس المئوي (انظر ملحق مقاييس درجة الحرارة). ولكل مقياس من هذه المقاييس ميزات معينة (انظر شكل مقاييس درجة الحرارة). ويمكن تحويل الدرجات المقيسة بأحد هذه المقاييس إلى المقياسَين الآخرَين، من دون عناء.

أ- مقياس كالفن

يميل معظم العلماء والباحثين، عندما يشيرون إلى درجات الحرارة في أبحاثهم، إلى استخدام درجة الحرارة المطلقة، أو ما يسمي مقياس كالفن، الذي استمد اسمه من مبتكره، العالم البريطاني، اللورد كالفن Lord Kelvin (1824 ـ 1907).

يبدأ مقياس كالفن من الصفر المطلق، ويخلو من القيم السالبة؛ لذا، يفضل كثير من العلماء الباحثين، استخدامه في حساباتهم العلمية. إلى جانب ذلك،، فإنه عند درجة الصفر المطلق، تكون حركة جزيئات المادة في أضعف حالاتها، والطاقة الحركية في الحضيض؛ والجزيئات في أبرد ما يمكن أن تكون عليه. وعلى الرغم من ذلك، فإن بعض المواد، مثل الهيليوم، يبقى فيها، عند هذه الدرجة، بعض الحركة، على شكل اهتزازات أو تذبذب مكاني Vibrations بين الذرات، تمنعها من التجمد. ويطلق على هذه الاهتزازات، اهتزازات نقطة الصفر Zero point vibrations. وتسمى الطاقة المرتبطة بهذه الاهتزازات، طاقة نقطة الصفر Zero Point Energy. ولا يوجد درجة حرارة تحت الصفر المطلق.

وفي مقياس كالفن، لا توضع علامة الدرجة، كتلك الدائرة الصغيرة، التي توضع على أرقام درجات الحرارة، المقيسة بالمقياس المئوي أو الفهرنهايتي؛ وذلك، لأن المؤتمر العام للمكاييل والمقاييس، المنعقد في عامي 1967ـ1968، استبدل كلمة كالفن، والرمز K بتسمية درجات كالفن، والرمز Kْ؛ لذا يشار إلى الوحدات بالاسم المفرد كالفن، ويرمز إليها بالرمز المجرد K.

ودرجة ذوبان الثلج على هذا المقياس، هي 273.16 كالفن. ودرجة غليان الماء، هي 373.16 كالفن. ويفصل بين هاتَين القيمتَين مائة درجة متساوية.

ب- مقياس فهرنهايت

ابتكر هذا المقياس في أوائل القرن الثامن عشر الميلادي، وبالتحديد عام 1714. وسمي نسبة إلى مبتكره، العالم الفيزيائي الألماني، جبريل دانييل فهرنهايت Gabriel Daniel Fahrenheit. وفي هذا المقياس، جعل فهرنهايت الرقم 32، هو درجة الحرارة، التي يتجمد عندها الماء؛ والرقم 212، وهو درجة الحرارة لتبخره. وجعل الصفر أقلّ درجة حرارة، حصل عليها من خليط من الثلج والماء والملح. وقسم المدى، بين درجة التجمد ودرجة الغليان، إلى 180 قسماً متساوياً؛ كلٌّ منها هو درجة. ويرمز إلى الدرجات بالرمز Fْ. وقد استخدم فهرنهايت ثرمومتراً زئبقياً، في أنبوب زجاجي. وكانت نقطتا الضبط عنده، هما نقطة الصفر، ودرجة حرارة جسم الإنسان، في الظروف العادية، وقد قدرها بـ96ْ. ولكن، لأن نقطتَي الضبط عنده، تصعب إعادة تمثيلهما بدقة، فإن المقياس الفهرنهايتي، يضبط، حالياً، بدرجة تجمد الماء ودرجة تبخره. إضافة إلى ذلك، فإنه مع التقدم التقني، أصبح المعروف، أن متوسط درجة حرارة جسم الإنسان 98.6ْ فهرنهايت.

ج- المقياس المئوي

بعد ابتكار فهرنهايت لمقياسه بثمانٍ وعشرين سنةً، وبالتحديد سنة 1742م، قدم عالم الفلك السويدي، أندرس سيلسيوس Anders Celsius، مقياساً عشرياً لدرجات الحرارة. جعلت فيه نقطة ذوبان الثلج عند الدرجة الصفر، وجعلت درجة غليان الماء عند الدرجة 100ْ؛ وقسم المدى، بين درجتَي التجمد والغليان، إلى 100 درجة متساوية. وقد اشتهر هذا المقياس، سنوات عديدة، باسم سينتجراد Centigrade Scale؛ ولكنه، حالياً، مشهور باسم مبتكره، ويطلق عليه سيلسيوس Celsius Scale وهو معروف، باللغة العربية، بالمقياس المئوي لدرجات الحرارة. ويطلق على الثرمومتر، المستخدم فيه، الثرمومتر المئوي.

تقسيمات الدرجات في المقياس المئوي، تساوي، بالضبط، تقسيمات الدرجات في مقياس كالفن؛ فهناك 100ْ درجة في المقياسَين، بين نقطة ذوبان الثلج، ونقطة غليان الماء. ودرجات الحرارة فيهما، تلتقي عند درجة –40ْ، إذ تتساوى القراءة في المقياسَين.

إن كان استخدام مقياس كالفن؛ مقتصراً على الأغراض العلمية، في الوقت الحاضر؛ فإن استخدام المقياس المئوي، هو الأكثر شيوعاً في العالم، ويستخدم في كل البلدان، التي تستخدم النظام المتري. ويقتصر استخدام المقياس الفهرنهايتي على عدد محدود جداً من الدول حالياً، واستخدامه على العموم في تلاشٍ. (انظر جدول المدى الواسع لدرجات الحرارة، في الكون) بعض أرقام المدى الحراري الواسع في الكون، وقياسات درجات الحرارة المتطرفة على سطح الأرض).