ترابطات بين الإجهاد والحرارة

تعريف الإجهاد

يمكن وصف الإجهاد بأنه مقياس للقوة العمودية المؤثرة على مساحة معينة. بمعنى آخر، هو التأثير الناتج عن تطبيق قوة على سطح ما. الوحدة المستخدمة في النظام الدولي للإجهاد هي باسكال، على الرغم من استخدام وحدات أخرى مثل البار. هناك أنواع متعددة للإجهاد، منها الإجهاد الجوي الذي يمثل وزن عمود الهواء على مساحة محددة، بالإضافة إلى الإجهاد المطلق، والإجهاد المقاس، وإجهاد التفريغ الذي يقيس الفرق بين الإجهاد الجوي والمطلق. أما إجهاد الغاز المحبوس، فينشأ نتيجة لتصادم جزيئات الغاز المتحركة بحرية داخل الوعاء مع جدرانه.

فهم الحرارة

الحرارة هي شكل من أشكال الطاقة يرتبط بحركة واهتزاز الجزيئات أو الذرات في الجسم. تنتقل الحرارة بثلاث طرق رئيسية: الإشعاع (مثل أشعة الشمس)، التوصيل الحراري، والحمل الحراري. تمر الحرارة بمراحل مختلفة، مثل الدرجة الطبيعية، الغليان، الانصهار، والتجمد.

الرابط بين الإجهاد والحرارة

توجد علاقة مباشرة بين الإجهاد والحرارة في الفيزياء. بمعنى آخر، كلما زادت درجة الحرارة، زاد الإجهاد، والعكس صحيح. على سبيل المثال، إذا وضعنا الماء في وعاء مغلق وسخناه، فإننا نلاحظ ما يلي: في البداية، تكون حركة جزيئات الهواء داخل الوعاء بطيئة وعشوائية. وعندما ترتفع درجة الحرارة ويبدأ الماء في الغليان، تزداد حركة الجزيئات بشكل كبير، مما يؤدي إلى اصطدامها بقوة أكبر بجدران الوعاء. هذه الحركة العنيفة تولد إجهادًا ناتجًا عن قوة تأثير الجزيئات، مما ينتج عنه بخار يتصادم بقوة بغطاء الوعاء حتى يتحرر. وقد أدت هذه الظاهرة إلى اختراع صمام الإجهاد الذي يقيس وينظم الإجهاد داخل الأوعية.

التأثيرات في الجغرافيا

من الناحية الجغرافية، يقل الإجهاد الجوي في الأجواء الحارة بسبب تباعد جزيئات الهواء. وبالمثل، كلما ارتفعنا عن سطح الأرض، يقل الإجهاد الجوي بسرعة أكبر بسبب انخفاض وزن عمود الهواء نتيجة لقلة كثافته في الأعلى، وهذا ما يفسر نقص الأكسجين في المرتفعات.

الارتباط بالحجم

عند الحديث عن الإجهاد، يجب الإشارة إلى العلاقة بين الإجهاد والحجم ودرجة الحرارة. إذا كانت درجة الحرارة ثابتة، يتناسب الحجم مع الإجهاد بعلاقة عكسية، أي كلما زاد الإجهاد، قل الحجم. وعندما تتغير درجة الحرارة، تكون العلاقة طردية بين الحجم والإجهاد. فمثلاً، عند تسخين الهواء يزداد حجمه وبالتالي يزيد الإجهاد، وإذا انخفضت درجة الحرارة يقل الحجم وينخفض الإجهاد.

المراجع

1. The Editors of Encyclopaedia Britannica,”Pressure PHYSICS”
2. Anne Marie Helmenstine, Ph.D.,”Temperature Definition in Science”
3. “Pressure and temperature relationship of a gas”