دماسنج: دستگاه اندازهگیری دما
دماسنج چیست و دمای دقیقاً چه مفهومی دارد؟
درک مفهوم دما پیش از شناخت دماسنج ضروری است. دما معیاری است که میزان گرمی یا سردی یک جسم را نشان میدهد. به زبان سادهتر، دما بیانگر میزان انرژی گرمایی ذرات تشکیلدهندهٔ یک جسم است. وقتی آب را روی اجاق میگذاریم، انرژی گرمایی به مولکولهای آب منتقل میشود، آنها تندتر حرکت میکنند و دمای آب بالا میرود. دماسنج وسیلهای است که این احساس کیفی «گرم» یا «سرد» را به یک عدد کمی تبدیل میکند. این عدد بر اساس یک مقیاس دمایی۱ مشخص میشود. رایجترین مقیاسهای دمایی در جهان عبارتند از: سلسیوس۲ (متریک)، فارنهایت۳ (مورد استفاده در آمریکا) و کلوین۴ (مقیاس علمی مطلق).
ایدهٔ اصلی ساخت اولین دماسنجها بر پایهٔ پدیدهای فیزیکی به نام انبساط حرارتی۵ استوار بود. وقتی اغلب مواد (جامد، مایع یا گاز) گرم میشوند، حجم آنها افزایش مییابد و وقتی سرد میشوند، منقبض میشوند. دماسنجهای اولیه با اندازهگیری میزان این انبساط یا انقباض، دما را نشان میدادند. برای مثال، وقتی دماسنج جیوهای را در یک فنجان چای داغ قرار میدهیم، جیوه داخل لوله منبسط میشود و در طول لوله بالا میرود. عددی که در مقابل ارتفاع جیوه نوشته شده، دمای چای را نشان میدهد.
نگاهی به تاریخچه: از گالیله تا امروز
ایدهٔ اندازهگیری دما به قرنها پیش بازمیگردد. گالیلهی گالیلهای۶ در حدود سال 1592 میلادی دستگاهی به نام «ترموسکوپ»۷ ساخت. این دستگاه یک بطری شیشهای وارونه پر از هوا بود که انتهای آن در یک ظرف آب قرار داشت. با تغییر دمای هوا، سطح آب در لولهٔ بطری تغییر میکرد. اما ترموسکوپ فاقد مقیاس عددی بود و تنها تغییرات دما را به طور نسبی نشان میداد. در سال 1714، دانیل گابریل فارنهایت۸ اولین دماسنج مدرن را با استفاده از جیوه ساخت و مقیاس فارنهایت را معرفی کرد. اندکی بعد، آندرش سلسیوس۹ مقیاس سلسیوس را ارائه داد که بر اساس نقطهٔ انجماد (0 درجه) و نقطهٔ جوش (100 درجه) آب خالص در فشار سطح دریا تعریف شده بود و امروزه مقیاس استاندارد در علم و بیشتر کشورهای جهان است.
انواع دماسنج: از لوله شیشهای تا حسگر الکترونیکی
با پیشرفت فناوری، انواع مختلفی از دماسنجها برای کاربردهای گوناگون ساخته شدهاند. در جدول زیر برخی از رایجترین انواع آنها مقایسه شدهاند:
| نوع دماسنج | مادهٔ اندازهگیر | اصل کار | کاربردهای رایج | مزایا و معایب |
|---|---|---|---|---|
| جیوهای/الکلی (شیشهای) | جیوه یا الکل رنگی | انبساط حرارتی مایع | اندازهگیری دمای بدن، آزمایشگاههای مدارس، هواشناسی قدیمی |
مزایا: دقت خوب، قیمت پایین. معایب: شکستن شیشه (خطر جیوه)، خواندن سختتر. |
| دیجیتال (حسگر مقاومتی) | ترمیستور۱۰ (مقاومت حساس به دما) | تغییر مقاومت الکتریکی با دما | دماسنج بدن، پختوپز، ترموستاتهای خانگی |
مزایا: خواندن آسان، سریع، امن. معایب: نیاز به باتری، دقت وابسته به کیفیت قطعات. |
| فروسرخ (لیزری) | تشعشعات مادون قرمز ساطعشده از اجسام | اندازهگیری انرژی تابشی | اندازهگیری دمای سطح اجسام از راه دور، غربالگری تب در فرودگاهها |
مزایا: اندازهگیری سریع و بدون تماس. معایب: گران، دقت آن به فاصله و جنس سطح بستگی دارد. |
| ترموکوپل۱۱ | دو فلز متفاوت (مثلاً آهن و کنستانتان) | تولید ولتاژ الکتریکی ناشی از اختلاف دما (اثر سیبک۱۲) | کورههای صنعتی، موتور خودروها، سیستمهای کنترل دمای پیچیده |
مزایا: مقاوم در برابر دمای بسیار بالا، پاسخ سریع. معایب: نیاز به دستگاه قرائت کننده، کالیبراسیون دقیق. |
تبدیل مقیاسهای دمایی: یک محاسبهٔ کاربردی
همانطور که گفتیم، دما با مقیاسهای مختلفی گزارش میشود. ممکن است دمایی را روی یک دماسنج فارنهایت ببینیم و بخواهیم معادل سلسیوس آن را بدانیم. این تبدیل با استفاده از فرمولهای ریاضی ساده انجام میشود. رابطهٔ بین مقیاس سلسیوس ($C$) و فارنهایت ($F$) به صورت زیر است:
مثال: اگر دمای هوا 30^\circ C باشد، معادل فارنهایت آن برابر است با: $F = (\frac{9}{5} \times 30) + 32 = 86^\circ F$.
مقیاس کلوین ($K$) که در محاسبات علمی بسیار مهم است، یک مقیاس مطلق است. نقطهٔ صفر آن صفر مطلق۱۳ نام دارد، دمایی که در آن حرکت ذرات کاملاً متوقف میشود. رابطهٔ آن با سلسیوس بسیار ساده است: $K = C + 273.15$. بنابراین دمای 25^\circ C معادل $25 + 273.15 = 298.15\, K$ است.
دماسنج در عمل: از آشپزخانه تا فضاپیما
کاربرد دماسنج فراتر از چک کردن تب بیمار است. به مثالهای زیر توجه کنید:
- آشپزی: دماسنج قنادی برای تهیهٔ شربت قند یا کنترل دمای روغن سرخکردنی حیاتی است. دماسنج گوشت برای اطمینان از پخت کامل و سالم گوشت بدون خشک شدن آن استفاده میشود.
- خودرو: یک دماسنج داخل داشبورد، دمای موتور را نشان میدهد تا از داغ شدن بیش از حد و آسیب به آن جلوگیری کند.
- کشاورزی: دماسنج حداقل و حداکثر (دماسنج U شکل) به کشاورزان کمک میکند تا کمترین و بیشترین دمای شبانهروز را ثبت کنند و زمان مناسب برای کشت یا محافظت از محصولات در برابر سرما را پیشبینی کنند.
- صنعت: کنترل دقیق دما در فرآیندهایی مانند ذوب فلزات، تولید دارو، یا نگهداری مواد غذایی فاسدشدنی (سردخانه) کاملاً وابسته به دماسنجهای دقیق است.
- هواشناسی و آبشناسی: ایستگاههای هواشناسی از دماسنجهای ویژهای برای ثبت دمای هوا، سطح زمین و حتی عمق اقیانوسها استفاده میکنند.
یک آزمایش ساده: یک دماسنج الکلی را در آفتاب و سپس در سایه قرار دهید. اختلاف ارتفاع مایع در لوله، تفاوت دمای این دو مکان را به وضوح نشان میدهد. این همان اصل کار ایستگاههای هواشناسی است که دماسنجها همیشه در سایه و در ارتفاع استاندارد از زمین نصب میشوند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، معمولاً نمیتوان. نقطهٔ جوش جیوه حدود 357^\circ C است، بنابراین برای آب جوش مشکلی ندارد. اما مشکل، نقطهٔ جوش مایع داخل حباب دماسنج است که معمولاً از نیتروژن تحت فشار پایین تشکیل شده. اگر دماسنج برای دماهای بالا طراحی نشده باشد، گرمای شدید میتواند باعث افزایش فشار در این حباب و ترکیدن دماسنج شود. برای دمای بالا باید از دماسنجهای مخصوص مانند ترموکوپل استفاده کرد.
پاسخ: الکل خالص بیرنگ است. رنگی کردن آن (معمولاً قرمز یا آبی) تنها برای قابل دیدن شدن مایع در داخل لولهٔ باریک شیشهای است. این کار خواندن عدد روی مقیاس را بسیار آسانتر میکند.
پاسخ: همهٔ اجسام، بسته به دمای خود، انرژی به صورت تابش فروسرخ ساطع میکنند. دماسنج فروسرخ دارای یک حسگر (عدسی) است که این تابش را جمعآوری و به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. سپس یک پردازنده، شدت این تابش را به عدد دما (معمولاً بر حسب سلسیوس) تبدیل و روی صفحه نمایش میدهد.
پاورقی
۱ Temperature Scale
۲ Celsius
۳ Fahrenheit
۴ Kelvin
۵ Thermal Expansion
۶ Galileo Galilei
۷ Thermoscope
۸ Daniel Gabriel Fahrenheit
۹ Anders Celsius
۱۰ Thermistor (ترکیب دو واژه Thermal و Resistor)
۱۱ Thermocouple
۱۲ Seebeck Effect
۱۳ Absolute Zero: پایینترین دمای ممکن در ترمودینامیک، معادل -273.15^\circ C یا 0\, K.
