واحدهای اندازه‌گیری دما؛ سلسیوس، کلوین و فارنهایت
دما چیست و چرا آن را اندازه می‌گیریم؟
دما معیاری برای سنجش میزان گرمی یا سردی یک جسم است. به زبان ساده‌تر، دما نشان می‌دهد که ذرات تشکیل‌دهنده یک ماده چقدر سریع در حال حرکت و برخورد با یکدیگر هستند. هرچه این حرکت سریع‌تر باشد، دمای جسم بالاتر است. اندازه‌گیری دما در فعالیت‌های روزمره مانند پخت‌وپز، پیش‌بینی هوا و تنظیم سیستم‌های گرمایش و سرمایش، و همچنین در زمینه‌های پیشرفته علمی مانند نجوم و پزشکی حیاتی است.
مقیاس سلسیوس: مقیاس جهانی آب
مقیاس سلسیوس (°C) که قبلاً به نام سانتی‌گراد شناخته می‌شد، رایج‌ترین مقیاس دمایی در جهان است. این مقیاس توسط آندرس سلسیوس، ستاره‌شناس سوئدی، در سال ۱۷۴۲ معرفی شد. پایه‌های این مقیاس بر اساس ویژگی‌های آب خالص در سطح دریا تعریف شده‌اند:
- ۰ °C نقطه انجماد آب.
- ۱۰۰ °C نقطه جوش آب.
این بازه به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم شده است، به همین دلیل گاهی به آن «سانتی‌گراد» (centi-grade به معنای ۱۰۰ درجه) می‌گویند. این مقیاس برای بیشتر کاربردهای علمی و زندگی روزمره در سراسر جهان به غیر از چند کشور استفاده می‌شود.
مقیاس فارنهایت: یک میراث آمریکایی
مقیاس فارنهایت (°F) توسط دانیل گابریل فارنهایت، فیزیکدان آلمانی، در سال ۱۷۲۴ ابداع شد. داستان جالب است: او صفر درجه فارنهایت را بر اساس پایین‌ترین دمایی که می‌توانست با مخلوطی از یخ، آب و نمک آمونیوم کلرید تولید کند، تعریف کرد. نقطه ۹۶ درجه نیز تقریباً دمای بدن انسان سالم بود. امروزه مقیاس با دقت بیشتری تعریف شده است:
- ۳۲ °F نقطه انجماد آب.
- ۲۱۲ °F نقطه جوش آب.
این بدان معناست که بین انجماد و جوش آب ۱۸۰ درجه فارنهایت فاصله وجود دارد. این مقیاس هنوز هم به طور گسترده در ایالات متحده آمریکا برای گزارش آب‌وهوا، پخت‌وپز و تنظیم دمای ترموستات استفاده می‌شود.
مقیاس کلوین: مقیاس مطلق علمی
مقیاس کلوین (K) توسط لرد کلوین (ویلیام تامسون) در قرن نوزدهم معرفی شد. این مقیاس بر اساس تئوری حرکت مولکولی و مفهوم صفر مطلق بنا شده است. صفر مطلق (0 K) پایین‌ترین دمای ممکن در جهان است، جایی که حرکت تمام ذرات متوقف می‌شود. برخلاف سلسیوس و فارنهایت، در مقیاس کلوین از علامت درجه (°) استفاده نمی‌شود و فقط از حرف K استفاده می‌کنیم. نقاط کلیدی آن عبارت‌اند از:
- 273.15 K نقطه انجماد آب.
- 373.15 K نقطه جوش آب.
این مقیاس برای محاسبات علمی دقیق، به‌ویژه در فیزیک و شیمی، ضروری است زیرا با قوانین ترمودینامیک[1] هماهنگی کامل دارد.
جدول مقایسه‌ای نقاط مهم دما در سه مقیاس
| پدیده/شرایط | سلسیوس (°C) | فارنهایت (°F) | کلوین (K) |
|---|---|---|---|
| صفر مطلق | -273.15 | -459.67 | 0 |
| انجماد آب | 0 | 32 | 273.15 |
| دمای اتاق (متوسط) | 20-25 | 68-77 | 293.15-298.15 |
| دمای بدن انسان (نرمال) | 37 | 98.6 | 310.15 |
| جوش آب | 100 | 212 | 373.15 |
فرمول‌های جادویی تبدیل: چگونه بین مقیاس‌ها حرکت کنیم؟
تبدیل بین این مقیاس‌ها مانند حل یک معماست! در اینجا فرمول‌های اصلی را می‌بینید:
تبدیل سلسیوس به فارنهایت و برعکس:
برای تبدیل دمای سلسیوس ($ T_C $) به فارنهایت ($ T_F $):
$ T_F = (T_C \times \frac{9}{5}) + 32 $برای تبدیل فارنهایت به سلسیوس:
$ T_C = (T_F - 32) \times \frac{5}{9} $مثال: می‌خواهیم بدانیم 25 °C چند درجه فارنهایت است.
$ T_F = (25 \times \frac{9}{5}) + 32 = (45) + 32 = 77 °F $تبدیل سلسیوس به کلوین و برعکس:
این تبدیل بسیار ساده است زیرا اندازه هر درجه یکسان است. فقط کافی است عدد ۲۷۳.۱۵ را اضافه یا کم کنید.
برای تبدیل سلسیوس ($ T_C $) به کلوین ($ T_K $):
$ T_K = T_C + 273.15 $برای تبدیل کلوین به سلسیوس:
$ T_C = T_K - 273.15 $مثال: دمای 0 K (صفر مطلق) چند درجه سلسیوس است؟
$ T_C = 0 - 273.15 = -273.15 °C $کاربردهای عملی در زندگی روزمره و علم
هر مقیاس در جایگاه خودش قهرمان است!
سلسیوس: وقتی اخبار هواشناسی را در ایران یا اروپا می‌بینید، دما بر حسب سلسیوس اعلام می‌شود. دستور پخت غذاها در کتاب‌های آشپزی خارج از آمریکا نیز از این مقیاس استفاده می‌کنند. در علم، به دلیل ارتباط مستقیم با آب، برای بسیاری از آزمایش‌ها مناسب است.
فارنهایت: اگر به آمریکا سفر کنید، تمام تابلوهای هواشناسی، تنظیمات فر آشپزخانه و دماسنج‌های بیرون منازل را بر حسب فارنهایت خواهید دید. طرفداران این مقیاس معتقدند که گسترده‌تر بودن بازه ۰ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت برای توصیف هوای بیرون، دقت بیشتری ایجاد می‌کند.
کلوین: این مقیاس قلمرو دانشمندان است! وقتی فیزیک‌دانان در مورد رفتار گازها، خواص مواد در دماهای بسیار پایین (cryogenics) یا حتی دمای سطح ستارگان مطالعه می‌کنند، از مقیاس کلوین استفاده می‌کنند زیرا محاسبات مربوط به قوانین ترمودینامیک را بسیار ساده می‌کند. برای مثال، طبق قانون چارلز، حجم یک گاز ایده‌آل با دمای آن (بر حسب کلوین) نسبت مستقیم دارد: $ V \propto T $.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
[1] ترمودینامیک (Thermodynamics): شاخه‌ای از فیزیک که به مطالعه رابطه بین گرما، کار، دما و انرژی می‌پردازد.
[2] صفر مطلق (Absolute Zero): پایین‌ترین حد نظری برای دما، که در آن آنتالپی و آنتروپی[3] یک گاز ایده‌آل به حداقل مقدار خود میرسد. (0 K, -273.15 °C, -459.67 °F).
[3] آنتروپی (Entropy): در ترمودینامیک، معیاری برای بی‌نظمی یک سیستم است.