کمیتهای دماسنجی: چیزهایی که با تغییر دما، عوض میشوند!
کمیت دماسنجی چیست؟
درک مفهوم پایه: هر تغییری که بتواند دماسنج باشد
برای اندازهگیری هر چیزی، به یک «مقیاس» یا «وسیلهی اندازهگیری» نیاز داریم. مثلاً برای طول از خطکش استفاده میکنیم که خودش بر اساس واحد سانتیمتر یا اینچ درجهبندی شده است. برای اندازهگیری دما هم به یک وسیله نیاز داریم که به آن دماسنج میگوییم. اما دماسنج چگونه کار میکند؟ پاسخ در این واقعیت نهفته است که بسیاری از مواد در جهان، وقتی گرم یا سرد میشوند، یکی از ویژگیهای فیزیکی یا شیمیاییشان به طور منظم و قابل پیشبینی تغییر میکند. به این ویژگیهای قابل تغییر، کمیتهای دماسنجی میگویند.
تعریف ساده: کمیت دماسنجی، ویژگیای از یک ماده است که با تغییر دما به طور پیوسته و تکمقداری تغییر میکند و میتوان از این تغییر برای اندازهگیری دما استفاده کرد.
دستهبندی اصلی کمیتهای دماسنجی
کمیتهای دماسنجی را میتوان بر اساس نوع تغییری که در ماده ایجاد میکنند، به چند دستهی مهم تقسیم کرد. جدول زیر این دستهبندی را به همراه مثالهای روشن نشان میدهد.
| دستهبندی | توضیح | مثال عملی | کاربرد در دماسنج |
|---|---|---|---|
| انبساط حجمی | افزایش یا کاهش حجم یک ماده (جامد، مایع، گاز) با تغییر دما. | بالا رفتن سطح الکل یا جیوه در لولهی دماسنج پزشکی. | دماسنجهای مایع در شیشه7 (جیوهای/الکلی). |
| انبساط طولی | افزایش یا کاهش طول یک جسم جامد با تغییر دما. | سیمهای برق در تابستان شل و آویزانتر میشوند. | ترموستات دو فلزی8 (در اتو، شوفاژ). |
| تغییر مقاومت الکتریکی | تغییر میزان مخالفت یک ماده با عبور جریان برق. | لامپ رشتهای وقتی روشن میشود، مقاومت رشته آن زیاد میشود. | دماسنجهای مقاومتی9 (RTD) در خودرو و صنعت. |
| تغییر رنگ یا حالت شیمیایی | برخی مواد در دمای مشخصی رنگ عوض میکنند یا حالتشان تغییر میکند. | نوک خودکار حرارتی که با مالش گرم و رنگش محو میشود. | نوارهای دمایی، دماسنجهای شیمیایی یکبارمصرف. |
| تغییر ولتاژ (اثر ترموالکتریک) | ایجاد ولتاژ الکتریکی در محل اتصال دو فلز مختلف هنگام تغییر دما. | ترموکوپل10 در دماسنج کورههای صنعتی. | ترموکوپل برای اندازهگیری دماهای بسیار بالا یا پایین. |
فرمولهای ساده برای انبساط: ریاضیات پشت تغییر دما
برای دانشآموزان دبیرستانی، درک رابطهی کمی بین دما و تغییر کمیت دماسنجی جالب است. سادهترین رابطهها برای انبساط خطی و حجمی است.
$\Delta L = L_0 \times \alpha \times \Delta T$
که در آن: $\Delta L$ تغییر طول، $L_0$ طول اولیه، $\alpha$ ضریب انبساط خطی ماده و $\Delta T$ تغییر دما است.
مثال عددی: یک ریل آهنی به طول اولیه 20 متر را در نظر بگیرید. اگر ضریب انبساط خطی آهن $1.2 \times 10^{-5}$ بر درجه سانتیگراد باشد و دمای آن از 10 به 40 درجه سانتیگراد برسد ($\Delta T = 30$ درجه)، تغییر طول آن میشود:
$\Delta L = 20 \times (1.2 \times 10^{-5}) \times 30 = 0.0072$ متر یا 7.2 میلیمتر.
به همین دلیل است که بین ریلهای قطار فاصله میگذارند تا در تابستان فضایی برای انبساط داشته باشند.
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای شگفتانگیز کمیتهای دماسنجی
این کمیتها فقط برای ساخت دماسنج نیستند. آنها در قلب بسیاری از دستگاههای کنترلکننده و ایمنی در زندگی ما قرار دارند.
۱. ترموستات دو فلزی (کاربرد انبساط طولی): این وسیله از دو نوار نازک فلزی (مثلاً آهن و برنج) که به هم چسبانده شدهاند ساخته میشود. چون ضریب انبساط این دو فلز متفاوت است، با گرم شدن، یکی بیشتر از دیگری بلند میشود و در نتیجه نوار خم میشود. این خم شدن مانند یک کلید عمل میکند و مدار الکتریکی دستگاههایی مثل اتو، شوفاژ برقی یا سردکنندهی یخچال را قطع یا وصل میکند تا دما ثابت بماند.
۲. حسگر دمای موتور خودرو (کاربرد تغییر مقاومت الکتریکی): داخل موتور خودروی شما یک ترمیستور11 وجود دارد. این قطعه مقاومت الکتریکیاش با دما تغییر میکند. کامپیوتر خودرو با اندازهگیری این مقاومت، دمای موتور را میسنجد. اگر موتور داغ شود، کامپیوتر دستور روشن شدن فن رادیاتور را میدهد.
۳. آتشنشانهای کوچک (کاربرد تغییر حالت): در برخی وسایل، یک قطعهی فیوز مانند از جنس آلیاژهای خاص وجود دارد که در دمای معینی ذوب میشود. این یک کمیت دماسنجی (تغییر حالت از جامد به مایع) است. اگر وسیله بیش از حد داغ شود، این قطعه ذوب شده و مدار را قطع میکند تا از آتشسوزی جلوگیری شود.
پرسشهای رایج و اشتباهات متداول
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. اگرچه بیشتر مواد با افزایش دما منبسط میشوند، اما استثناهای مهمی وجود دارد. معروفترین مثال، آب است. آب از 0 تا 4 درجه سانتیگراد با افزایش دما منقبض میشود (حجمش کم میشود) و چگالیش بیشتر میشود. به همین دلیل یخ روی آب شناور میماند. پس انبساط حجمی، اگرچه یک کمیت دماسنجی پرکاربرد است، اما یک قانون جهانی برای همهی مواد در همهی دماها نیست.
پاسخ: دقت بستگی به دامنهی دمایی و کاربرد دارد. به طور کلی:
- دماسنجهای گازی در آزمایشگاههای دقیق، به دلیل انبساط یکنواخت گازها، بسیار دقیق هستند.
- ترمیستورها و RTDها برای اندازهگیریهای الکترونیکی در صنعت بسیار دقیق و پایدارند.
- دماسنجهای مایع در شیشه برای مصارف عمومی (تب سنجی) کافی و ارزان هستند.
پاسخ: در تئوری بله، اما در عمل باید چند شرط مهم را داشته باشد: تغییر آن یکنواخت و تکمقداری باشد (یعنی برای هر دما فقط یک مقدار از آن کمیت وجود داشته باشد). همچنین باید قابل اندازهگیری و تکرارپذیر باشد. مثلاً تغییر رنگ برخی مواد ممکن است با گذشت زمان یا در معرض نور دائمی نباشد، بنابراین برای دماسنجهای دقیق کمتر مناسب است.
پاورقی
1 کمیت دماسنجی (Thermometric Quantity)
2 دما (Temperature)
3 دماسنج (Thermometer)
4 انبساط (Expansion)
5 ترموستات (Thermostat)
6 حجم (Volume)
7 دماسنج مایع در شیشه (Liquid-in-glass Thermometer)
8 ترموستات دو فلزی (Bimetallic Thermostat)
9 دماسنج مقاومتی (Resistance Temperature Detector - RTD)
10 ترموکوپل (Thermocouple)
11 ترمیستور (Thermistor - حاصل از ترکیب Thermal resistor)
