مقیاس سلسیوس: سنجش دمای جهان اطراف ما
آغاز یک انقلاب: آندرس سلسیوس و ایدهی نبوغآمیز
در قرن هجدهم میلادی، دانشمندان زیادی درگیر اندازهگیری دقیق دما بودند، اما هرکدام از نقطهای متفاوت شروع میکردند. در سال 1742، ستارهشناس سوئدی، آندرس سلسیوس، مقیاسی را پیشنهاد داد که بر پایهی دو رویداد ساده و قابل مشاهده برای همه بود: ذوب یخ و جوشیدن آب. جالب است که در طرح اولیهی او، نقطهی جوش آب 0 درجه و نقطهی ذوب یخ 100 درجه بود! اما بعداً این مقیاس توسط دیگران معکوس شد تا مقیاسی که امروز میشناسیم، شکل بگیرد: صفر برای یخ و صد برای بخار.
تعریف دقیق: صفر و صد درجه بر چه اساسی است؟
تعریف مدرن مقیاس سلسیوس به دو نقطهی ثابت وابسته است:
- صفر درجه سلسیوس (0°C): دمایی است که در آن آب خالص (مقطر) در فشار استاندارد یک اتمسفر4 شروع به یخ زدن (انجماد) میکند.
- صد درجه سلسیوس (100°C): دمایی است که در آن آب خالص در فشار استاندارد یک اتمسفر شروع به جوشیدن میکند.
فشار استاندارد یک اتمسفر، فشار متوسط هوا در سطح دریا است. اگر روی قلهی کوه باشید (فشار کمتر)، آب در دمای پایینتری میجوشد. مثلاً در ارتفاع 3000 متری، آب در حدود 90°C میجوشد.
| رویداد / نقطه | درجه سلسیوس (°C) | درجه فارنهایت (°F) | کلوین (K) |
|---|---|---|---|
| صفر مطلق5 (سردترین دمای ممکن) | -273.15°C | -459.67°F | 0 K |
| ذوب یخ (آب خالص) | 0°C | 32°F | 273.15 K |
| دمای اتاق معمولی | ~22°C | ~71.6°F | ~295.15 K |
| جوش آب (آب خالص) | 100°C | 212°F | 373.15 K |
ریاضیات دما: فرمولهای تبدیل سلسیوس به فارنهایت و کلوین
برای کار با علوم مختلف، باید بتوانیم مقیاسهای دما را به یکدیگر تبدیل کنیم. این کار با فرمولهای سادهای انجام میشود.
سلسیوس به فارنهایت: $ °F = ( \frac{9}{5} \times °C ) + 32 $
فارنهایت به سلسیوس: $ °C = \frac{5}{9} \times (°F - 32) $
سلسیوس به کلوین: $ K = °C + 273.15 $
کلوین به سلسیوس: $ °C = K - 273.15 $
مثال: دمای یک روز گرم تابستان 35°C است. این دما بر حسب فارنهایت چند است؟
با استفاده از فرمول:
$ °F = ( \frac{9}{5} \times 35 ) + 32 = (63) + 32 = 95 $
. پس دمای آن روز 95°F بوده است.
سلسیوس در زندگی روزمره: از آشپزخانه تا پیشبینی هوا
مقیاس سلسیوس آنقدر در زندگی ما جا افتاده که شاید به حضورش توجه نکنیم:
- آشپزی: دستور پخت کیک اغلب دمای فر را روی 180°C تنظیم میکند. آب برای دم کردن چای باید نزدیک نقطه جوش (100°C) باشد.
- هواشناسی: وقتی گوینده اخبار میگوید «حداکثر دمای فردا 28 درجه خواهد بود»، منظور 28°C است. دمای زیر صفر (0°C) هشدار یخبندان و بارش برف میدهد.
- سلامت و پزشکی: دمای طبیعی بدن انسان حدود 37°C است. تب وقتی جدی میشود که دمای بدن از 38.5°C فراتر رود.
- علم و آزمایشگاه: بیشتر واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی در محدودههای خاصی از دمای سلسیوس کنترل میشوند. انجماد نمونههای بیولوژیکی معمولاً در -20°C (فریزر معمولی) یا -80°C (فریزرهای فوق سرد) انجام میگیرد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. در 0°C مولکولهای آب هنوز انرژی و حرکت دارند (در حالت مایع یا در حال ذوب/انجماد). نقطهای که در آن حرکت تئوریک مولکولها متوقف میشود، صفر مطلق (-273.15°C) است که در مقیاس کلوین معادل 0 K تعریف میشود.
پاسخ: استفاده از فارنهایت (عمدتاً در ایالات متحده) بیشتر یک سنت تاریخی است. از نظر علمی، هیچ مقیاسی ذاتاً دقیقتر نیست؛ همه بر اساس تعاریف استاندارد کار میکنند. اما مقیاس سلسیوس به دلیل ارتباط مستقیم با خصوصیات آب و سیستم اعشاری (دهدهی)، برای محاسبات علمی و استفاده بینالمللی سادهتر و منطقیتر است.
پاسخ: خیر. نقاط ذوب و جوش منحصر به هر ماده است. این مقیاس فقط بر اساس آب تعریف شده است. مثلاً نقطه ذوب مس 1084.62°C و نقطه ذوب سرب 327.5°C است. سلسیوس به ما یک چارچوب یکسان برای گزارش این دماهای متفاوت میدهد.
پاورقی
1 مقیاس سلسیوس (Celsius scale): به افتخار آندرس سلسیوس، ستارهشناس سوئدی.
2 فارنهایت (Fahrenheit): مقیاس دمایی که توسط دانیل گابریل فارنهایت، فیزیکدان آلمانی، پیشنهاد شد.
3 کلوین (Kelvin): مقیاس دمایی مطلق در سیستم SI که نقطه صفر آن برابر با صفر مطلق است. به افتخار لرد کلوین، فیزیکدان بریتانیایی.
4 اتمسفر (Atmosphere): واحد فشار. فشار استاندارد معادل 101.325 کیلوپاسکال است.
5 صفر مطلق (Absolute Zero): پایینترین دمای ممکن در ترمودینامیک، جانی که در آن حرکت کوانتومی ذرات به حداقل میرسد.
