دما و دماسنجی: از احساس تا اندازه‌گیری دقیق
دما چیست و چرا آن را اندازه می‌گیریم؟
دما کمیتی است که میزان گرمی یا سردی یک جسم را نشان می‌دهد. به زبان ساده، وقتی می‌گوییم هوا گرم است، در واقع داریم به دمای بالا اشاره می‌کنیم. اما دما در علم، مفهومی دقیق‌تر دارد. دما معیاری از میانگین انرژی جنبشی[1] ذرات تشکیل‌دهنده یک ماده است. هرچه ذرات یک ماده تندتر حرکت کنند و به هم برخورد کنند، دمای آن ماده بالاتر است.
اندازه‌گیری دما در زندگی روزمره و علم بسیار حیاتی است. برای مثال، وقتی بیمار می‌شویم، با دماسنج پزشکی دمای بدنمان را اندازه می‌گیریم تا ببینیم تب داریم یا نه. آشپزها برای پختن کامل غذا باید دمای فر را کنترل کنند. هواشناسان نیز برای پیش‌بینی آب‌وهوا دمای هوا را در نقاط مختلف اندازه‌گیری می‌کنند.
سفر در زمان: تاریخچه مختصر دماسنجی
انسان‌ها همیشه به طور نسبی گرما و سرما را احساس می‌کردند، اما برای اندازه‌گیری دقیق آن به ابزار نیاز داشتند. اولین وسیله شبیه به دماسنج را گالیله در حدود سال 1592 میلادی اختراع کرد. این دستگاه که «ترموسکوپ»[2] نام داشت، از یک لوله شیشه‌ای پر از هوا و یک ظرف آب تشکیل شده بود. با تغییر دما، سطح آب در لوله بالا و پایین می‌رفت، اما عدد دقیقی نشان نمی‌داد.
در دهه‌های بعد، دانشمندان زیادی مانند دانیل فارنهایت و آندرس سلسیوس با استفاده از خواص فیزیکی مواد (مانند انبساط مایع بر اثر گرما) موفق به ساخت دماسنج‌های دقیق‌تر و تعریف مقیاس‌های استاندارد شدند. این اختراع، دنیای علم را متحول کرد.
دماسنج‌ها چگونه کار می‌کنند؟
اکثر دماسنج‌های قدیمی بر اساس پدیده فیزیکی مهمی به نام انبساط گرمایی کار می‌کنند. یعنی وقتی به بیشتر مواد گرما می‌دهیم، منبسط می‌شوند (حجم آنها بیشتر می‌شود) و وقتی سرد می‌شوند، منقبض می‌شوند. دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی از این خاصیت استفاده می‌کنند. مایع داخل لوله باریک بر اثر گرما منبسط می‌شود و در طول درجه‌بندی شده لوله بالا می‌رود و عدد دما را نشان می‌دهد.
دماسنج‌های دیجیتال امروزی معمولاً از یک قطعه الکترونیکی به نام ترمیستور[3] استفاده می‌کنند. مقاومت الکتریکی این قطعه با تغییر دما، تغییر می‌کند. یک مدار الکترونیکی این تغییر مقاومت را اندازه می‌گیرد و آن را به یک عدد روی صفحه نمایش تبدیل می‌کند.
| نوع دماسنج | اصل کار | موارد استفاده | مزایا / معایب |
|---|---|---|---|
| دماسنج الکلی/جیوه‌ای | انبساط گرمایی مایع | آزمایشگاه، اندازه‌گیری دمای هوا | معایب: شکستن مزایا: دقت خوب |
| دماسنج دیجیتال (ترمیستور) | تغییر مقاومت الکتریکی | دماسنج پزشکی، مصارف خانگی | مزایا: ایمن، سریع، خوانایی آسان |
| دماسنج گازی | انبساط گاز در حجم ثابت | اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق علمی | مزایا: بسیار دقیق معایب: حجیم و پیچیده |
| پیرومتر (دماسنج لیزری) | سنجش تابش فروسرخ | صنعت، اندازه‌گیری از راه دور | مزایا: غیرتماسی، سریع معایب: گران‌قیمت |
مقیاس‌های دما: سلسیوس، فارنهایت و کلوین
برای بیان عددی دما، به یک مقیاس یا واحد نیاز داریم. معروف‌ترین مقیاس‌ها در زندگی روزمره، سلسیوس (°C) و فارنهایت (°F) هستند. در علم نیز از مقیاس کلوین (K) استفاده می‌شود.
- سلسیوس (°C): در این مقیاس، نقطه انجماد آب 0°C و نقطه جوش آن در فشار سطح دریا 100°C تعریف شده است. این مقیاس در بیشتر کشورهای جهان استفاده می‌شود.
- فارنهایت (°F): در این مقیاس، نقطه انجماد آب 32°F و نقطه جوش آن 212°F است. این مقیاس بیشتر در ایالات متحده آمریکا رایج است.
- کلوین (K): این مقیاس علمی مطلق است. صفر کلوین (0 K) یا صفر مطلق[4]، سردترین دمای ممکن در جهان است که در آن حرکت ذرات کاملاً متوقف می‌شود. اندازه هر درجه در مقیاس کلوین با سلسیوس یکسان است، بنابراین 0°C = 273.15 K.
$ °F = (°C \times \frac{9}{5}) + 32 $
$ °C = (°F - 32) \times \frac{5}{9} $
مثال: دمای 20°C چند درجه فارنهایت است؟ $ (20 \times \frac{9}{5}) + 32 = 36 + 32 = 68°F $
دماسنجی در عمل: از بدن انسان تا فضاپیماها
کاربردهای اندازه‌گیری دما بی‌پایان است. در پزشکی، دماسنج‌های گوشی یا پیشانی با سنجش تابش مادون قرمز[5] بدن، دمای بیمار را در کسری از ثانیه و بدون تماس اندازه می‌گیرند که این موضوع برای جلوگیری از انتقال بیماری بسیار مهم است.
در صنعت غذا، از ترمومترهای مخصوص برای اطمینان از پخت کامل گوشت استفاده می‌شود تا از مسمومیت غذایی جلوگیری شود. در خودروها، یک دماسنج دمای موتور را کنترل می‌کند تا از بیش از حد گرم شدن شدن آن جلوگیری کند. حتی در یخچال خانه شما نیز یک ترموستات وجود دارد که دائماً دما را اندازه می‌گیرد و وقتی هوا بیش از حد سرد یا گرم شد، کمپرسور را خاموش یا روشن می‌کند.
در مقیاس بزرگتر، دانشمندان با استفاده از ماهواره‌ها که مجهز به رادیومترهای بسیار حساس هستند، دمای سطح زمین و اقیانوس‌ها را از فضا اندازه‌گیری می‌کنند. این داده‌ها برای مطالعه تغییرات آب‌وهوایی کره زمین حیاتی هستند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، حس لامسه ما برای دما نسبی و گاهی فریبنده است. یک مثال معروف: اگر یک دست خود را در آب سرد و دست دیگر را در آب گرم قرار دهید و سپس هر دو را همزمان در یک ظرف آب ولرم بگذارید، دستی که در آب سرد بود، آب را گرم احساس می‌کند و دستی که در آب گرم بود، همان آب را سرد احساس خواهد کرد. برای اندازه‌گیری دقیق همیشه باید از دماسنج استفاده کنیم.
هر دو مایع انبساط زیادی دارند، اما نقطه انجماد و جوش متفاوتی دارند. الکل نقطه انجماد بسیار پایینی دارد (-114°C) و برای اندازه‌گیری دمای هوای بسیار سرد مناسب است. اما نقطه جوش پایینی هم دارد (78°C) و برای اندازه‌گیری دماهای بالا مناسب نیست. جیوه نقطه انجماد بالاتری (-39°C) اما نقطه جوش بسیار بالاتری (357°C) دارد و برای دماهای بالا عالی است. امروزه به دلیل سمی بودن جیوه، استفاده از دماسنج‌های الکلی یا دیجیتال رایج‌تر است.
دمای هوا عددی است که دماسنج نشان می‌دهد. اما «دمای احساسی» یا «دمای ظاهری» دمایی است که بدن انسان آن را احساس می‌کند. این دما تحت تأثیر عواملی مانند رطوبت هوا و سرعت باد قرار می‌گیرد. مثلاً در یک روز بادی، بدن انسان هوا را سردتر از آنچه دماسنج نشان می‌دهد، احساس می‌کند زیرا باد، لایه هوای گرم اطراف بدن را سریع‌تر از بین می‌برد.
پاورقی
[1] انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژی‌ای که یک جسم به دلیل حرکت خود دارد.
[2] ترموسکوپ (Thermoscope): از کلمات یونانی «thermos» به معنای گرما و «skopein» به معنای دیدن گرفته شده است. یعنی وسیله‌ای برای دیدن گرما.
[3] ترمیستور (Thermistor): ترکیبی از کلمات «thermal» (حرارتی) و «resistor» (مقاومت). یک مقاومت الکتریکی که مقاومت آن با دما تغییر می‌کند.
[4] صفر مطلق (Absolute Zero): پایین‌ترین دمای ممکن نظری، معادل -273.15°C یا 0 K.
[5] تابش مادون قرمز (Infrared Radiation): نوعی تابش نامرئی که همه اجسام به دلیل دمای خود ساطع می‌کنند. هرچه جسم داغ‌تر باشد، تابش بیشتری دارد.