دماهای زیر صفر: دنیای یخزدهٔ آب و هوا
صفر درجه سلسیوس: نقطهای که آب یخ میبندد
برای درک دماهای زیر صفر، ابتدا باید بدانیم صفر درجه سلسیوس چگونه تعریف شده است. این دما، نقطهی انجماد آب خالص در فشار هوای استاندارد سطح دریاست. یعنی اگر یک لیوان آب خالص را در فشار معمولی هوا بگذاریم، در دمای 0°C شروع به تبدیل شدن به یخ میکند. این یک نقطهی مرجع بسیار مهم است که توسط دانشمند سوئدی، آندرس سلسیوس[2]، معرفی شد.
اما دماسنجها چگونه کار میکنند؟ در بیشتر دماسنجهای معمولی، از انبساط و انقباض یک مایع (مانند جیوه یا الکل رنگی) در یک لولهی باریک استفاده میشود. وقتی هوا سرد میشود، مایع داخل لوله منقبض شده و سطح آن پایین میآید و دمای کمتر را نشان میدهد.
دماهای زیر صفر در طبیعت و زندگی روزمره
دماهای زیر صفر تنها محدود به زمستانهای سخت نیستند. آنها در بسیاری از پدیدههای طبیعی و فعالیتهای انسانی حضور دارند:
| دما (سلسیوس) | پدیده یا مثال | توضیح |
|---|---|---|
| 0 تا -5°C | یخ زدن سطح آبهای راکد | دریاچهها و حوضها در این دما در سطح یخ میزنند. اما آب در اعماق ممکن است هنوز مایع باشد. |
| -10 تا -25°C | زمستانهای سرد شهرهای شمالی | شهرهایی مانند ارومیه یا تهران در سردترین شبهای زمستان به این دما میرسند. نیاز به سیستمهای گرمایشی قوی است. |
| -40°C | برابر شدن مقیاسها | در این دما، عدد روی دماسنج سلسیوس و فارنهایت دقیقاً یکسان است: -40°C = -40°F. |
| -78.5°C | یخ خشک | دیاکسید کربن[4] جامد که مستقیماً از جامد به گاز تبدیل میشود (تصعید[5]). در صنایع غذایی و ایجاد مه مصنوعی کاربرد دارد. |
| -89.2°C | سردترین دمای ثبت شده روی زمین | این دما در سال 1983 در ایستگاه وستوک[6] قطب جنوب اندازهگیری شد. |
تأثیر سرما بر مواد: از آب تا فلزات
با کاهش دما، مولکولهای مواد کندتر حرکت میکنند و فاصلهی بین آنها کم میشود. این باعث تغییر حالت و خواص فیزیکی مواد میشود:
۱. انبساط و انقباض: بیشتر مواد هنگام سرد شدن منقبض میشوند. اما یک استثنای مهم وجود دارد: آب. آب وقتی از 4°C به 0°C میرسد، منبسط میشود! به همین دلیل است که یخ چگالی کمتری از آب مایع دارد و روی آب شناور میماند. این پدیده برای زندگی آبزیان در زمستان حیاتی است.
۲. تغییر حالت: در دماهای زیر صفر، بسیاری از گازها به مایع و سپس به جامد تبدیل میشوند. اکسیژن[7] در دمای -183°C به مایع آبی رنگ زیبایی تبدیل میشود. نیتروژن[8] مایع در دمای -196°C جوش میآید و در پزشکی و صنعت کاربرد گستردهای دارد.
۳. تغییر در خواص مکانیکی: فلزات در دمای بسیار پایین ترد و شکننده میشوند. لاستیک و پلاستیک نیز انعطافپذیری خود را از دست میدهند. این موضوع در طراحی وسایل نقلیه و تجهیزات برای مناطق قطبی بسیار مهم است.
کاربردهای مهندسی و علمی دماهای زیر صفر
انسان از سرما نه تنها به عنوان یک چالش، بلکه به عنوان یک فرصت استفاده میکند:
• نگهداری مواد غذایی: فریزرهای خانگی معمولاً در محدودهی -18°C کار میکنند. در این دما، رشد باکتریها و فعالیت آنزیمها تقریباً متوقف میشود و غذا برای ماهها سالم میماند. این فرآیند را انجماد سریع مینامند.
• پزشکی و زیستشناسی: سلولها، بافتها و حتی خون را در دمای -196°C (در نیتروژن مایع) ذخیره میکنند. در این حالت، تمام فرآیندهای زیستی متوقف شده و نمونه برای دههها قابل نگهداری است. این فرآیند انجماد عمیق یا کرایونیک[9] نام دارد.
• ابررسانایی: برخی مواد در دماهای بسیار پایین (مثلاً زیر -200°C) خاصیت ابررسانایی پیدا میکنند، یعنی مقاومت الکتریکی آنها صفر میشود. از این پدیده در ساخت آهنرباهای فوققوی برای دستگاههای امآرآی[10] و شتابدهندههای ذرات استفاده میشود.
صفر مطلق: مرز نهایی سرما
آیا سرمایی بینهایت وجود دارد؟ خیر. دانشمندان یک حد پایین نظری برای دما کشف کردهاند: صفر مطلق[11]. در این دما، حرکت تمام اتمها و مولکولها کاملاً متوقف میشود. این دما برابر است با:
$ -273.15°C $ یا $ 0 $ کلوین[12].
دسترسی به این دما در عمل غیرممکن است، اما دانشمندان توانستهاند به کسری از کلوین بسیار نزدیک به آن برسند. در این دماهای فوقالعاده پایین، پدیدههای کوانتومی عجیبی رخ میدهد که مطالعهی آنها به درک بهتر ماهیت ماده کمک میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، خودِ دمای پایین عامل مستقیم بیماریهایی مانند سرماخوردگی یا آنفولانزا نیست. این بیماریها توسط ویروسها ایجاد میشوند. اما هوای سرد و خشک میتواند غشای مخاطی بینی را ضعیف کند و سیستم ایمنی بدن را تحت فشار قرار دهد، همچنین مردم زمان بیشتری را در فضاهای بسته و نزدیک به هم سپری میکنند که این امر انتقال ویروس را آسانتر میکند.
پاسخ: دلیل اصلی رطوبت است. وقتی شما با دست برهنه یک فلز بسیار سرد (مثلاً در -30°C) را لمس میکنید، رطوبت بسیار ناچیز روی پوست شما بلافاصله یخ میزند. این لایهی نازک یخ، پوست شما را به فلز میچسباند. هرگز نباید سعی کنید با کشیدن، دست را جدا کنید، زیرا به پوست آسیب میزند. بهترین راه، استفاده از آب ولرم برای ذوب کردن یخ است.
پاسخ: خیر. نقطه انجماد به نوع ماده بستگی دارد. در حالی که آب خالص در 0°C یخ میزند، الکل[13] (اتانول) در دمای -114°C منجمد میشود. به همین دلیل از الکل در دماسنجهای مناطق بسیار سرد استفاده میشود، زیرا در دماهای زیر صفر جیوه منجمد میشود (-38.8°C).
پاورقی
[1] سلسیوس (Celsius): مقیاسی برای اندازهگیری دما که نقطه انجماد آب را 0° و نقطه جوش آن را 100° در فشار استاندارد تعریف میکند.
[2] آندرس سلسیوس (Anders Celsius): اخترشناس سوئدی (۱۷۰۱-۱۷۴۴).
[3] فارنهایت (Fahrenheit): مقیاس دیگر دما که بیشتر در ایالات متحده استفاده میشود.
[4] دیاکسید کربن (Carbon Dioxide): گازی با فرمول شیمیایی $ CO_2 $.
[5] تصعید (Sublimation): تغییر حالت مستقیم از جامد به گاز بدون گذر از فاز مایع.
[6] وستوک (Vostok): نام یک ایستگاه تحقیقاتی روسیه در قطب جنوب.
[7] اکسیژن (Oxygen): عنصر حیاتی با نماد $ O $.
[8] نیتروژن (Nitrogen): گازی با نماد $ N $ که بخش عمدهی هوا را تشکیل میدهد.
[9] کرایونیک (Cryonics): فناوری انجماد عمیق اجساد یا اعضای بدن با امید به احیا در آینده.
[10] امآرآی (MRI): تصویربرداری تشدید مغناطیسی (Magnetic Resonance Imaging)، یک روش تصویربرداری پزشکی.
[11] صفر مطلق (Absolute Zero): پایینترین دمای ممکن در نظریه ترمودینامیک.
[12] کلوین (Kelvin): مقیاس دمای مطلق که صفر آن برابر با صفر مطلق است. هر درجه کلوین از نظر اندازه با یک درجه سلسیوس برابر است.
[13] الکل (اتانول) (Ethanol): یک مایع آلی با فرمول $ C_2H_5OH $.
