دما: معیار داغی یا سردی ماده
دما چیست و چه تفاوتی با گرما دارد؟
وقتی دست خود را نزدیک بخاری میگیریم، احساس گرمای میکنیم. وقتی یک تکه یخ را در دست میفشاریم، احساس سرما میکنیم. این احساسات، درک اولیه ما از مفهوم دما هستند. اما تعریف علمی دما فراتر از احساسات است. دما معیاری کمّی برای سنجش میانگین انرژی جنبشی ذرات (اتمها و مولکولها) یک جسم است. هرچه این ذرات سریعتر حرکت کنند (یعنی انرژی جنبشی بیشتری داشته باشند)، دمای جسم بالاتر است.
برای درک این تفاوت، دو سکه داغ و یک قاشق سرد را در نظر بگیرید. سکهها ممکن است دمای یکسانی (مثلاً 80 درجه) داشته باشند، اما یک سکه بزرگتر گرما (انرژی) بیشتری نسبت به سکه کوچکتر دارد. اگر هر دو را روی قاشق سرد بگذاریم، سکه بزرگتر، گرمای بیشتری به قاشق منتقل میکند و آن را بیشتر گرم میکند.
چگونه دما را اندازه میگیریم؟ ماجرای اختراع دماسنج
انسانها همواره به دنبال ابزاری برای اندازهگیری دقیق دما بودهاند. اولین دماسنج کاربردی توسط گالیله6 در حدود سال 1592 میلادی ساخته شد. این دماسنج بر اساس پدیدهی فیزیکی مهمی به نام انبساط گرمایی کار میکرد: اغلب مواد (گازها، مایعات و جامدات) با افزایش دما منبسط و با کاهش دما منقبض میشوند.
دماسنجهای مدرن مایعی (مانند جیوه یا الکل رنگی) نیز از همین اصل استفاده میکنند. با گرم شدن مایع داخل مخزن، مایع منبسط شده و در لولهی باریک بالا میرود. میزان این ارتفاع بر روی یک مقیاس درجهبندی شده، دمای محیط را نشان میدهد.
| مقیاس دمایی | نقطه انجماد آب | نقطه جوش آب | کاربرد اصلی | واحد |
|---|---|---|---|---|
| سلسیوس (°C) | 0 °C | 100 °C | علمی و روزمره در اکثر جهان | درجه سلسیوس |
| فارنهایت (°F) | 32 °F | 212 °F | هواشناسی و زندگی روزمره در ایالات متحده | درجه فارنهایت |
| کلوین (K) | 273.15 K | 373.15 K | محاسبات علمی دقیق و فیزیک | کلوین (بدون استفاده از کلمه «درجه») |
از انبساط ریلهای قطار تا عملکرد یخچال: دما در عمل
تأثیر دما فقط محدود به هواشناسی یا پختوپز نیست. این مفهوم در فناوریها و پدیدههای اطراف ما نقش حیاتی دارد:
انبساط گرمایی در سازهها: ریلهای قطار، پلها و خطوط لوله در هوای گرم منبسط و در هوای سرد منقبض میشوند. مهندسان برای این انبساط و انقباض، درزهای انبساط (فاصلههای کوچک) در نظر میگیرند تا از خرابی سازه جلوگیری شود. اگر به ریلهای قطار دقت کنید، بین بخشهای فلزی طولانی، فاصلههای کوچکی میبینید.
اصل کار یخچال: یخچال با استفاده از یک مایع مبرد7، گرما را از داخل محفظه میگیرد و به بیرون منتقل میکند. این فرآیند بر اساس انتقال گرما از منطقه سردتر (داخل یخچال) به منطقه گرمتر (هوای آشپزخانه) انجام میشود که نیاز به صرف انرژی (برق) دارد.
پدیده آبشدن یخ: وقتی به یخ گرما میدهیم، دمای آن از نقطه انجماد (0 °C) بالاتر رفته و تغییر فاز از جامد به مایع رخ میدهد. جالب است بدانید در طول این تغییر فاز، تا زمانی که تمام یخ ذوب نشده، دما ثابت میماند. تمام انرژی دریافتی صرف شکستن پیوندهای بین مولکولی میشود نه افزایش دما.
مرز سرما: صفر مطلق و مقیاس کلوین
آیا حد پایینی برای دما وجود دارد؟ دانشمندان به نظریهای به نام صفر مطلق رسیدهاند. این دمایی است که در آن حرکت ذرات ماده (انرژی جنبشی آنها) به حداقل نظری خود میرسد. در این دما، ذرات تقریباً کاملاً بیحرکت هستند.
تبدیل سلسیوس به فارنهایت: $ T_{(°F)} = (T_{(°C)} \times \frac{9}{5}) + 32 $
تبدیل سلسیوس به کلوین: $ T_{(K)} = T_{(°C)} + 273.15 $
صفر مطلق برابر است با -273.15 °C، -459.67 °F و دقیقاً 0 K.
مقیاس کلوین که واحد اصلی دما در سیستم بینالمللی واحدها (SI) است، دقیقاً از صفر مطلق شروع میشود. افزایش یک درجه در مقیاس کلوین معادل افزایش یک درجه در مقیاس سلسیوس است. از این مقیاس در محاسبات علمی پیشرفته، نجوم و فیزیک کوانتوم استفاده میشود زیرا با رفتار واقعی گازها و قوانین ترمودینامیک8 هماهنگی کامل دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. صفر مطلق یک حد پایین نظری و عملی برای دماست. بر اساس قوانین فیزیک، رسیدن به دمای دقیق صفر کلوین و به ویژه پایینتر از آن غیرممکن است. ما میتوانیم به کسری از کلوین بسیار نزدیک شویم، اما هرگز به صفر مطلق نمیرسیم.
پاسخ: بله، دمای موضعی پوست کمی کاهش مییابد. الکل مایع سریعالتبخیر است. وقتی آن را روی پوست میمالیم، مولکولهای الکل برای تبخیر شدن به انرژی نیاز دارند. این انرژی را از گرمای پوست میگیرند. با از دست دادن انرژی گرمایی، میانگین انرژی جنبشی مولکولهای پوست آن ناحیه کاهش یافته و بنابراین احساس خنکی ایجاد میشود.
پاسخ: بله، از نظر عددی یکسان است. نقطهی ذوب9 (تبدیل از جامد به مایع) و نقطهی انجماد10 (تبدیل از مایع به جامد) یک مادهی خالص، در شرایط یکسان فشار، دمای یکسانی دارند. برای آب خالص، این دما 0 °C است.
پاورقی
1 دما (Temperature): کمیت فیزیکی که میزان گرمی یا سردی جسم را نشان میدهد.
2 انرژی جنبشی (Kinetic Energy): انرژی ناشی از حرکت اجسام یا ذرات.
3 سلسیوس (Celsius): مقیاس دمایی که نقطه انجماد و جوش آب را به ترتیب صفر و صد درجه تعریف میکند.
4 فارنهایت (Fahrenheit): مقیاس دمایی که بیشتر در ایالات متحده استفاده میشود.
5 گرما (Heat): شکل انرژی که به دلیل اختلاف دما منتقل میشود.
6 گالیله (Galileo Galilei): دانشمند ایتالیایی قرن شانزدهم و هفدهم میلادی.
7 مبرد (Refrigerant): مادهای که در سیستمهای خنککننده برای جذب و دفع گرما استفاده میشود.
8 ترمودینامیک (Thermodynamics): شاخهای از فیزیک که به مطالعه گرما، دما و ارتباط آنها با انرژی و کار میپردازد.
9 نقطه ذوب (Melting Point): دمایی که در آن ماده از فاز جامد به مایع تبدیل میشود.
10 نقطه انجماد (Freezing Point): دمایی که در آن ماده از فاز مایع به جامد تبدیل میشود.
