دماسنج: دنیای کوچک، اندازهگیری بزرگ
دما چیست و چرا باید آن را اندازه بگیریم؟
دما معیاری است برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم. در سطح مولکولی، دما نشاندهندهی متوسط انرژی جنبشی ذرات تشکیلدهندهی آن جسم است. هرچه ذرات سریعتر حرکت کنند، دمای جسم بالاتر است. اندازهگیری دما در جنبههای مختلف زندگی، از آشپزی و کنترل وضعیت سلامت گرفته تا صنایع بزرگ و پژوهشهای علمی، نقشی حیاتی دارد. به عنوان مثال، پخت کامل یک کیک نیاز به دمای دقیق فر دارد و تشخیص تب بیمار بدون دماسنج غیرممکن است.
اصل بنیادی همهی دماسنجها: تغییر یک ویژگی فیزیکی
همهی دماسنجها بر یک اصل ساده اما هوشمندانه استوارند: با تغییر دما، برخی از ویژگیهای فیزیکی مواد نیز تغییر میکنند. این ویژگی میتواند حجم یک مایع، طول یک جامد، مقاومت الکتریکی یک سیم، ولتاژ تولیدشده در محل اتصال دو فلز متفاوت یا میزان تابش مادون قرمز ساطعشده از جسم باشد. دماسنج این تغییر را تشخیص داده و آن را به یک عدد روی نمایشگر (مقیاس یا صفحهی دیجیتال) تبدیل میکند.
انواع دماسنج: از سنتی تا پیشرفته
دماسنجها را میتوان بر اساس ویژگی فیزیکی که اندازه میگیرند، دستهبندی کرد. در جدول زیر مهمترین انواع آنها مقایسه شدهاند:
| نوع دماسنج | ویژگی فیزیکی مورد استفاده | مثال کاربردی | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|---|
| دماسنج جیوهای/الکلی (انبساطی) | انبساط حجمی مایع | تبسنج بالینی قدیمی، دماسنج آزمایشگاهی | دقت نسبتاً خوب، قیمت پایین، نیاز به باتری ندارد | خطر شکستگی و نشت جیوه (سمی)، کندی پاسخدهی، خوانش سخت |
| دماسنج دیجیتال (ترمیستوری)7 | تغییر مقاومت الکتریکی نیمههادی (ترمیستور) | تبسنج دیجیتال دهانی، دماسنج محیط دیجیتال | ایمن، خوانش آسان و سریع، قابلیت ذخیرهی داده | نیاز به باتری، ممکن است در دماهای خیلی بالا/پایین دقت کمتری داشته باشد |
| ترمومتر مادون قرمز (غیرتماسی)8 | میزان تابش مادون قرمز ساطعشده از سطح جسم | تبسنج پیشانی، کنترل دمای خودرو در خط تولید | سریع، غیرتماسی (بهداشتی)، اندازهگیری از فاصله | معمولاً گرانتر، دقت به فاصله و زاویه و نوع سطح بستگی دارد |
| ترموکوپل9 | ولتاژ تولیدشده در محل اتصال دو فلز متفاوت (اثر ترموالکتریک) | کورههای صنعتی، اندازهگیری دمای اگزوز خودرو | محدوده دمایی بسیار وسیع (صدها-تا هزاران درجه)، پاسخ سریع | نیاز به تقویت سیگنال، کالیبراسیون پیچیدهتر |
مقیاسهای اندازهگیری دما: سلسیوس، فارنهایت و کلوین
عدد نمایشدادهشده توسط دماسنج بر اساس یک «مقیاس» بیان میشود. سه مقیاس اصلی وجود دارد:
- سلسیوس (°C): رایجترین مقیاس در دنیا و ایران. نقطهی انجماد آب 0 °C و نقطهی جوش آن 100 °C در نظر گرفته شده است.
- فارنهایت (°F): بیشتر در آمریکا استفاده میشود. نقطه انجماد آب 32 °F و نقطه جوش 212 °F است.
- کلوین (K): مقیاس علمی مطلق. صفر کلوین (0 K) یا «صفر مطلق» سردترین دمای ممکن است که در آن حرکت ذرات متوقف میشود. هر درجه کلوین از نظر اندازه با یک درجه سلسیوس برابر است، اما نقطه شروع متفاوتی دارد: $ T(K) = T(°C) + 273.15 $.
تبدیل سلسیوس به فارنهایت:$ °F = ( \frac{9}{5} \times °C ) + 32 $. برای مثال، دمای 37 °C (دمای طبیعی بدن) معادل 98.6 °F است.
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای متنوع دماسنج
دماسنج فقط یک وسیله در جعبه کمکهای اولیه نیست. داستان آن در همه جا حضور دارد:
سلامت و پزشکی تشخیص تب با تبسنج دیجیتال یا مادون قرمز، نگهداری واکسنها در یخچالهای ویژه با دمای کنترلشده.
آب و هوا ایستگاههای هواشناسی از دماسنجهای دقیق برای پیشبینی هوا استفاده میکنند. یک مثال جالب، دماسنجهای حداقله10 و حداکثره11 هستند که کمترین و بیشترین دمای یک بازه زمانی را ثبت میکنند.
صنعت و فناوری کنترل دمای موتور خودرو توسط حسگر دمای آب (که یک ترمیستور است)، نظارت بر دمای بخشهای مختلف در نیروگاهها و پالایشگاهها با ترموکوپل.
خانه و آشپزخانه فر آشپزی دارای ترموستات12 (که شامل یک دماسنج و یک کلید کنترل است)، یخچال، آبگرمکن و سماور همگی برای عملکرد درست نیاز به اندازهگیری دما دارند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. دماسنجهای مادون قرمز معمولی فقط دمای سطح جسم را اندازهگیری میکنند، زیرا تابش مادون قرمز از سطح ساطع میشود. برای اندازهگیری دمای داخلی، باید از دماسنجهای تماسی مثل دماسنج پروبدار13 استفاده کرد.
پاسخ: این رفتار عادی است. بوق اولیه معمولاً نشاندهندهی این است که دماسنج نرخ افزایش دما را به حد آهستهای رسانده و آمادهی گزارش تقریبی دماست. اما برای اطمینان از دقت نهایی، بهتر است طبق دستورالعمل دستگاه (مثلاً ۳۰ ثانیه بعد از بوق) صبر کنید تا اندازهگیری کاملاً تثبیت شود.
پاسخ: خیر، دماسنج دما را اندازه میگیرد، نه گرما را. دما معیاری از میزان گرمی یک جسم منفرد است (متوسط انرژی ذرات). اما گرما شکلی از انرژی است که به دلیل اختلاف دما بین دو جسم منتقل میشود. مثلاً یک فنجان چای کوچک در 90°C دمای بالاتری نسبت به یک وان پر از آب در 40°C دارد، اما آب وان گرما (انرژی) بیشتری در خود ذخیره کرده است.
پاورقی
1 دماسنج (Thermometer) – از دو بخش «دما» و «سنج» تشکیل شده است.
2 جیوهای (Mercury-in-glass thermometer) – نوعی دماسنج انبساطی که از جیوه به عنوان مایع درون لوله استفاده میکند.
3 الکلی (Alcohol-in-glass thermometer) – نوعی دماسنج انبساطی که معمولاً از الکل رنگی شده استفاده میکند. برای دماهای پایینتر از منفی 39°C مناسب است.
4 مادون قرمز (Infrared thermometer) – که گاهی «تبسنج لیزری» نیز خوانده میشود، اما از لیزر فقط برای هدفگیری استفاده میکند، نه اندازهگیری.
5 سلسیوس (Celsius scale) – به افتخار ستارهشناس سوئدی، آندرس سلسیوس.
6 فارنهایت (Fahrenheit scale) – به افتخار فیزیکدان آلمانی، دانیل گابریل فارنهایت.
7 ترمیستور (Thermistor) – ترکیبی از دو کلمهی «حرارتی» (thermal) و «مقاومت» (resistor). مقاومتی که مقدارش با دما به شدت تغییر میکند.
8 غیرتماسی (Non-contact thermometer) – اصطلاحی کلی برای دماسنجهایی که برای اندازهگیری نیاز به تماس فیزیکی با جسم ندارند.
9 ترموکوپل (Thermocouple) – حسگری متشکل از دو سیم از جنس فلزات مختلف که در یک سر به هم متصل شدهاند.
10 دماسنج حداقله (Minimum thermometer) – معمولاً الکلی با یک نشانگر داخلی که با انقباض مایع به پایین کشیده میشود و کمترین دما را ثبت میکند.
11 دماسنج حداکثره (Maximum thermometer) – معمولاً جیوهای با یک تنگنای خاص در لوله که مانع از بازگشت خودبهخودی جیوه پس از انبساط میشود و بیشترین دما را ثبت میکند.
12 ترموستات (Thermostat) – وسیلهای برای حفظ خودکار دما در یک نقطهی تنظیمشده.
13 پروب (Probe) – میله یا حسگر نوکتیزی که برای نفوذ یا تماس با جسم مورد نظر استفاده میشود.
