اندازهگیری دما: کلید کشف دنیای انرژی
دما چیست و چگونه احساس میشود؟
وقتی لیوان شیر داغ را لمس میکنیم، احساس گرمی میکنیم و زمانی که دست خود را روی یخ میگذاریم، احساس سرما. این احساسات، بیانگر وجود یک کمیت فیزیکی به نام دما هستند. دما در واقع معیاری برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم است. اما این حس ما معیار دقیقی نیست! ممکن است دست فردی که تازه از سرما وارد خانه شده، آب ولرم را هم داغ احساس کند. برای همین ما به یک ابزار دقیق و استاندارد نیاز داریم: دماسنج.
به بیان علمی، دما میزان متوسط انرژی جنبشی5 ذرات سازندهی یک ماده است. هرچه ذرات سریعتر حرکت کنند، دمای ماده بالاتر است. برخلاف دما، انرژی گرمایی6 کل انرژی ذرات یک جسم است که به دما، جرم و جنس ماده بستگی دارد. برای مثال، یک سطل آب 40 درجهی سلسیوس، دمای بالاتری از یک وان پر از آب 30 درجه دارد، اما وان آب به دلیل جرم بسیار بیشتر، انرژی گرمایی بیشتری در خود ذخیره کرده است.
دماسنج چگونه کار میکند؟ (اصل انبساط گرمایی)
اکثر دماسنجهای رایج بر پایهی یک اصل فیزیکی بسیار مهم کار میکنند: انبساط گرمایی7. این اصل میگوید حجم بیشتر مواد (اعم از جامد، مایع و گاز) با افزایش دما، افزایش مییابد و با کاهش دما، کاهش پیدا میکند. دماسنجهای مایعدرشیشهای8 رایجترین نوع هستند که در آنها یک مایع (مانند الکل قرمزرنگ یا جیوه) داخل یک لولهی بسیار باریک (مویین) محبوس شده است. با گرم شدن مخزن دماسنج، مایع منبسط شده و در لوله بالا میرود. با سرد شدن، مایع منقبض شده و پایین میآید.
| نوع دماسنج | مادهی اندازهگیر | محدوده دمایی معمول | مزایا | معایب / کاربرد |
|---|---|---|---|---|
| الکلی | الکل (معمولاً رنگشده) | -115 تا 78 °C | مناسب برای دماهای بسیار پایین، کمخطر، ارزان | الکل زود بخار میشود. برای اندازهگیری دمای بدن مناسب نیست. |
| جیوهای | جیوه | -39 تا 357 °C | دقت بالا، انبساط یکنواخت، درخشش نقرهای | سمی است. شکستن آن خطرناک است. امروزه در بسیاری کاربردها ممنوع است. |
| دیجیتال | سنسور الکترونیکی (مثلاً ترموکوپل9) | محدودهی وسیع (بسته به سنسور) | خواندن آسان، پاسخ سریع، بیخطر، قابلیت اتصال به رایانه | نیاز به باتری دارد. برای درک اصل فیزیکی انبساط، ابزار مناسبی برای آموزش ابتدایی نیست. |
مقیاسهای دما: سلسیوس، فارنهایت و کلوین
برای گزارش عددی دما، به یک مقیاس یا درجهبندی نیاز داریم. معروفترین مقیاسها در جهان، سلسیوس (سانتیگراد) و فارنهایت هستند. هر مقیاس دو نقطهی ثابت را به عنوان مرجع انتخاب میکند: معمولاً نقطهی انجماد و نقطهی جوش آب در فشار استاندارد.
- مقیاس سلسیوس (°C): نقطهی انجماد آب = 0°C، نقطهی جوش آب = 100°C. این فاصله به 100 قسمت مساوی تقسیم میشود. این مقیاس در علم و زندگی روزمره در بیشتر کشورهای جهان استفاده میشود.
- مقیاس فارنهایت (°F): نقطهی انجماد آب = 32°F، نقطهی جوش آب = 212°F. این فاصله به 180 قسمت مساوی تقسیم میشود. استفادهی اصلی آن امروزه در ایالات متحده است.
- مقیاس کلوین (K): این مقیاس علمی مطلق است. صفر کلوین (0 K) یا صفر مطلق10، پایینترین دمای ممکن در جهان است که در آن حرکت ذرات کاملاً متوقف میشود. اندازهی هر درجه در آن برابر با یک درجه سلسیوس است، بنابراین $Δ1K = Δ1°C$. رابطهی آن با سلسیوس: $T(K) = T(°C) + 273.15$.
$ °F = ( \frac{9}{5} \times °C ) + 32 $
$ °C = \frac{5}{9} \times (°F - 32) $
مثال: دمای 37°C (دمای طبیعی بدن) چند درجه فارنهایت است؟ $ °F = ( \frac{9}{5} \times 37 ) + 32 = (66.6) + 32 = 98.6 °F $
آزمایش عملی: ساختن یک دماسنج ساده در خانه
برای درک بهتر اصل انبساط، میتوانید یک دماسنج ساده بسازید.
وسایل مورد نیاز: یک بطری شیشهای شفاف کوچک، یک نی پلاستیکی باریک، خمیر بازی (یا خمیر نان)، آب، رنگخوراکی، یک ماژیک برای علامتزدن.
روش کار:
- بطری را تا نزدیک لبه از آب رنگی پر کنید.
- نی را داخل بطری قرار دهید به طوری که نوک آن داخل آب باشد، اما به ته بطری نرسد.
- در اطراف دهانهی بطری و نی، با خمیر بازی به طور کامل درزگیری کنید تا هوایی نتواند وارد یا خارج شود.
- روی نی با ماژیک یک علامت در سطح آب بزنید.
- حالا بطری را درون یک کاسه آب گرم (نه جوش) قرار دهید. پس از چند لحظه میبینید سطح آب رنگی داخل نی بالا میرود. روی نی در این محل جدید علامت بزنید.
- سپس بطری را داخل یک کاسه آب یخ بگذارید. سطح آب داخل نی پایین میآید. روی این محل نیز علامت بزنید.
شما با این کار یک دماسنج کیفی ساختهاید! آب داخل بطری با گرم شدن منبسط شد و چون جای دیگری برای رفتن نداشت، مجبور شد وارد نی باریک شود و سطح آن بالا برود. با سرد شدن، آب منقبض شد و سطح آن پایین آمد. برای درجهبندی آن میتوانید از یک دماسنج استاندارد کمک بگیرید.
چگونه دماسنج را بخوانیم؟ (راهنمای گامبهگام)
خواندن صحیح دماسنجهای مایعدرشیشه، نیاز به دقت دارد.
- انتخاب دماسنج مناسب: مطمئن شوید محدوده ی دمایی دماسنج، دماي مورد نظر شما را پوشش میدهد.
- تماس صحیح: مخزن دماسنج (قسمت پایینی پر از مایع) باید کاملاً با جسم مورد نظر در تماس باشد. برای اندازهگیری دمای مایعات، آن را کاملاً غوطهور کنید اما به دیواره یا ته ظرف نخورد.
- انتظار برای تعادل گرمایی: چند لحظه (معمولاً 30 ثانیه تا یک دقیقه) صبر کنید تا دمای دماسنج با دمای جسم یکسان شود.
- خواندن در سطح چشم: دماسنج را به صورت عمودی نگه دارید و از کنار به ستون مایع نگاه کنید. چشمان شما باید همسطح بالای ستون مایع باشد. نگاه کردن از بالا یا پایین، باعث خطای دید (پارالکس11) و خواندن عدد اشتباه میشود.
- تشخیص درجهها و اجزای درجه: به تفاوت عددی بین دو علامت درجهبندی دقت کنید. اگر بین 20 و 30 درجه، 10 خط کوچک وجود داشته باشد، هر خط نشاندهندهی 1 درجه است. عدد را تا آخرین خطی که مایع از آن گذشته، بخوانید.
| موقعیت ستون مایع | درجهبندی (بین 20 و 30 درجه، 10 قسمت) | دمای خوانده شده | توضیح |
|---|---|---|---|
| بالای سطح مایع روی خط 25 است | هر خط = 1°C | 25.0 °C | خواندن مستقیم |
| بالای سطح مایع بین خط 25 و 26 و روی خط سوم بعد از 25 است | هر خط = 1°C | 25.3 °C | خط اول بعد از 25 برابر 25.1، دوم 25.2، سوم 25.3 |
| بالای سطح مایع دقیقاً در میانه خطوط 25 و 26 است | هر خط = 1°C | 25.5 °C | تخمین زدن بین دو خط مجاز است. اینجا دقیقاً وسط است. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. دماسنج پزشکی محدودهی دمایی کوچکی (معمولاً از 35 تا 42 درجه سلسیوس) را پوشش میدهد. دمای آب استخر ممکن است خارج از این محدوده باشد. همچنین، بعضی تبسنجهای جیوهای قدیمی دارای «خمیدگی» در لوله هستند که مانع از پایین آمدن سریع جیوه میشود تا عدد خوانده شود. استفاده از آن برای مایعات دیگر ممکن است به دماسنج آسیب بزند یا خوانش را ناممکن کند.
پاسخ: این ویژگی فقط در بعضی دماسنجهای قدیمی جیوهای موسوم به «دماسنج حداکثری»12 وجود دارد. در بالای مخزن این دماسنجها، یک مجرای بسیار باریک طراحی شده است. وقتی دما بالا میرود، فشار جیوه برای عبور از این مجرا کافی است. اما وقتی دماسنج سرد میشود، ستون جیوه در آن نقطه میشکند و نمیتواند برگردد، بنابراین بالاترین دمای اندازهگیری شده را حفظ میکند. برای بازگرداندن آن باید دماسنج را تکان دهید.
پاسخ: خیر. دمایی که دماسنج نشان میدهد، دمای واقعی هوا است. اما دمای احساسی بدن ما تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت هوا و سرعت باد قرار میگیرد. برای مثال، در یک روز بادی، بدن گرمای بیشتری را از دست میدهد و بنابراین احساس سرما میکند، حتی اگر دمای هوا ثابت باشد. این مفهوم در گزارشهای هواشناسی گاهی با عنوان «دمای مؤثر باد»13 مطرح میشود.
پاورقی
1 اندازهگیری دما (Temperature Measurement)
2 دماسنج (Thermometer)
3 سلسیوس (Celsius scale)
4 فارنهایت (Fahrenheit scale)
5 انرژی جنبشی (Kinetic Energy)
6 انرژی گرمایی (Thermal Energy)
7 انبساط گرمایی (Thermal Expansion)
8 دماسنج مایعدرشیشهای (Liquid-in-glass thermometer)
9 ترموکوپل (Thermocouple): یک سنسور دمایی متشکل از دو فلز مختلف که بر اساس ایجاد ولتاژ بر اثر اختلاف دما کار میکند.
10 صفر مطلق (Absolute Zero)
11 خطای پارالکس (Parallax error): خطایی که هنگام نگاه کردن از زاویهای غیر از راستا به یک نشانگر (مانند ستون مایع) رخ میدهد.
12 دماسنج حداکثری (Maximum thermometer)
13 دمای مؤثر باد (Wind chill temperature)
