درجة حرية (فيزياء)

درجة الحرية (بالإنجليزية: Degree of freedom) في الفيزياء والكيمياء هي صفة فيزيائية تستخدم في وصف حالة نظام فيزيائي. ومجموعة الصفات التي تصف بأجملها نظام فيزياي تسمى فضاء طوري. من الخواص الفيزيائية للغازات التي تعتمد على درجات حرية جزيئاته نجد : حرارته النوعية و معامل الانضغاط. ومعرفة درجات الحرية لغاز مهمة حيث منها يمكننا معرفة الطاقة الكامنة في جزيئات الغاز - وهي طاقة لا نستطيع عادة الاستفادة منها - وطاقاته الأخرى التي يمكن الاستفادة منها ؛ فمثلا تهمنا درجات حرية جزيئات بخار الماء إذ لبخار الماء في حياتنا المعاصرة دورا كبيرا في توليد الطاقة الكهربائية .

اهتزاز غير متناظر لجزيء .

جزيئات غاز مكونة من ذرتين مثل الأكسجين ، عندما نقوم بدراسة حركتها العشواية في الغاز نجد أن جزيء الأكسجين يمكن أن يتحرك في اتجاه المحور السيني كما يمكنه الحركة في الاتجاه الصادي ويمكنه أن يتحرك في الاتجاه العيني (باعتبار إحداثيات الموضع :س، ص، ع). ونحن نصف حركة جزيئات الأكسجين في الغاز عندئذ بأن لها "3 درجات حرية" ، ذلك بشأن "الحركة الانتقالية " للجزيئات . فإذا كان جزيء الأكسجين يدور حول نفسه فتلك تكون أيضا درجة من درجات الحرية لجزيء الأكسجين وهو يمارس الدوران عن طريق امتصاص طاقة من الخارج . وبتمعن دراسة حركة جزيء الأكسجين الدورانية ، نجد أن له 2 درجة حرية دورانية حول محورين عموديين على الرابطة بين ذرتي الأكسجين المكونتان الجزيئ. بذلك نستطيع القول بأن جزيئ الأكسجين في الغاز له 5 درجات حرية ، منها 3 انتقالية و 2 دورانية .(دوران جزيئ الأكسجين وهو ثنائي الذرات لا يمكنه الدوران حول محوره الثالث وهو الرابط بين الذرتين [أنظر الشكل أسفله].

تعريف

في الميكانيكا يمكن لجسم الحركة في ثلاثة محاور للمكان x , y , z . بذلك يحتوي زخم الحركة على ثلاثة مركبات للحركة (أجزاء) وهي تسمى " درجات حرية". فإذا تكوّن نظام (مثل غاز) من عدد N من الجزيئات المستقلة يكون للنظام 3N من درجات الحرية.

وفي الميكانيكا الإحصائية تشكل درجة حرية قيمة غير متجهه تصف الحالة الصغرية microstate للنظام فهي مثلا تحدد الحرارة النوعية لغاز . وتختلف درجات حرية الغازات باختلاف تركيبها ومكوناتها ، فمثلا الغازات المثالية هي التي تكون منفردة الذرات ، مثل غاز الهيليوم و النيون و غاز الأرجون (عنصر) فيكون لكل ذرة منها 3 درجات لحرية الحركة ، وهي حرية حركة انتقالية في الاتجاهات x , y , z . تمثل إحداثيات جميع الحالات الصغرية للنظام بنقطة في الفضاء الطوري phase space. وما رأينا أعلاه في حالة جزيء الأكسجين أو النيتروجين أو الهيدروجين حيث يتكون الجزيء منها من ذرتين مرتبطتين بعضهما البعض . ورأينا أن الجزيء الثنائي الذرات له 5 درجات حرية : منها 3 درجات لحرية الحركة الانتقالية ، و درجتي حرية للحركة الدورانية للجزيء حول محور عمودي على الرابطة بين الذرتين .

ويمكن اعتبار أي خاصية مستقلة لا تعتمد على متغير آخر في النظام بأنها "درجة حرية ".

En otros idiomas