مقیاس دماسنجی: نگاهی به سیستمهای اندازهگیری دما
دما و دماسنج: نقطهی آغاز اندازهگیری
همهی ما به صورت حسی تفاوت بین یک فنجان چای داغ و یک لیوان آب خنک را درک میکنیم. اما برای اندازهگیری دقیق و عددی این «گرمی» و «سردی»، نیاز به یک وسیلهی اندازهگیری و یک سیستم عددگذاری داریم. این وسیله دماسنج۶ و سیستم عددگذاری، مقیاس دماسنجی نامیده میشود.
دماسنجهای اولیه بر پایهی انبساط و انقباض مواد کار میکردند. مثلاً وقتی مایعی مانند الکل یا جیوه گرم میشود، حجم آن افزایش یافته و در لولهی باریک دماسنج بالا میرود. برای ایجاد یک مقیاس، نیاز به نقاط ثابت داریم. دو نقطهی ثابت رایج، نقطهی ذوب یخ (دمای یخ خالص در حال ذوب) و نقطهی جوش آب (دمای آب خالص در حال جوش) در فشار هوای معمولی هستند. با علامتگذاری سطح مایع در این دو حالت و تقسیم فاصلهی بین آنها به قسمتهای مساوی، یک مقیاس دماسنجی ساخته میشود.
معرفی مقیاسهای دماسنجی اصلی
سه مقیاس دماسنجی اصلی در جهان مورد استفاده قرار میگیرند که هر کدام داستان و کاربرد خاص خود را دارند.
| نام مقیاس | نماد | نقاط ثابت اصلی | کاربرد اصلی | منطقهی رایج استفاده |
|---|---|---|---|---|
| سلسیوس (سانتیگراد) | °C | ذوب یخ: 0°C، جوش آب: 100°C | زندگی روزمره، آموزش، بیشتر کارهای علمی | اکثر کشورهای جهان |
| فارنهایت | °F | مخلوط آبیخنمک: 0°F، دمای بدن انسان: ~96°F (در نسخه اولیه) | هواشناسی، زندگی روزمره در کشورهای خاص | ایالات متحده آمریکا، چند کشور محدود دیگر |
| کلوین | K (بدون علامت درجه) | صفر مطلق۷: 0 K، سهگانه۸ آب: 273.16 K | علم فیزیک، شیمی، نجوم (کارهای علمی دقیق) | سراسر جهان (کاربرد علمی) |
مقیاس سلسیوس: این مقیاس که در گذشته سانتیگراد نامیده میشد، توسط آندرس سلسیوس، ستارهشناس سوئدی در سال 1742 پیشنهاد شد. جالب است که در طرح اولیه، نقطه جوش آب را صفر و نقطه ذوب یخ را 100 درجه گذاشت، اما بعدها این اعداد معکوس شدند تا به شکل امروزی درآید.
مقیاس فارنهایت: حدود 20 سال قبل از سلسیوس، دنیل فارنهایت، فیزیکدان آلمانی، این مقیاس را بر اساس مخلوطی از یخ، آب و نمک (به عنوان صفر) و دمای بدن انسان (به عنوان 96) ساخت. امروزه نقاط ثابت آن به ذوب یخ در 32°F و جوش آب در 212°F تصحیح شدهاند.
مقیاس کلوین: این مقیاس که برای کارهای علمی بسیار مهم است، توسط لرد کلوین (ویلیام تامسون) معرفی شد. برخلاف دو مقیاس دیگر، کلوین یک مقیاس مطلق است. نقطهی صفر آن، «صفر مطلق» است که سردترین دمای ممکن در جهان محسوب میشود و در آن جنبش مولکولها به حداقل نظری میرسد. اندازهی هر درجه در این مقیاس با درجه سلسیوس برابر است، فقط نقطه شروع متفاوت است.
تبدیل بین مقیاسها: یک بازی ریاضی
با دانستن رابطهی بین مقیاسها میتوانیم دما را از یکی به دیگری تبدیل کنیم. این روابط به صورت فرمولهای ریاضی سادهای هستند.
$ ^\circ F = (^\circ C \times \frac{9}{5}) + 32 $
$ ^\circ C = (^\circ F - 32) \times \frac{5}{9} $
$ K = ^\circ C + 273.15 $
$ ^\circ C = K - 273.15 $
مثال عملی: فرض کنید دمای هوا در یک روز تابستانی در تهران 35 درجه سلسیوس است. این دما بر حسب فارنهایت چقدر است؟
با استفاده از فرمول اول: $ ^\circ F = (35 \times \frac{9}{5}) + 32 = (63) + 32 = 95 $. پس دمای هوا 95°F است.
مثال علمی: در آزمایشگاه، برای انجام یک واکنش شیمیایی نیاز به دمای 298 K داریم. این دما معادل چند درجه سلسیوس است؟
با استفاده از فرمول چهارم: $ ^\circ C = 298 - 273.15 = 24.85 $. پس دمای مورد نظر حدود 24.85°C است که نزدیک به دمای اتاق است.
کاربردهای مقیاسهای مختلف در زندگی و علم
هر مقیاس در حوزهای خاص کاربرد بهینه دارد. در آشپزخانه، وقتی دستور پخت کیک را میخوانید، دمای فر معمولاً بر حسب سلسیوس یا فارنهایت داده شده است. در پیشبینی هوا، در کشورهایی مانند آمریکا از فارنهایت استفاده میشود در حالی که در اروپا و ایران از سلسیوس استفاده میکنند.
در علم، داستان متفاوت است. مقیاس کلوین پادشاه است. زیرا در فرمولهای فیزیکی و شیمیایی مانند قانون گازهای ایدهآل $(PV = nRT)$، دما باید بر حسب کلوین وارد شود. صفر مطلق در این مقیاس به این معنی است که انرژی جنبشی ذرات صفر است (نظری). ستارهشناسان نیز برای بیان دمای سطح ستارگان یا فضای بین ستارهای از کلوین استفاده میکنند. دمای سطح خورشید حدود 5778 K است!
در پزشکی، دماسنج بدن معمولاً مقیاس سلسیوس را نشان میدهد. دمای طبیعی بدن انسان حدود 37°C است که معادل 98.6°F و 310.15 K میباشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: درست آن است که بگوییم «10 کلوین» و بنویسیم 10 K. استفاده از علامت درجه ( ° ) برای مقیاس کلوین نادرست است. این قاعده برای اینکه تأکید کند کلوین یک مقیاس مطلق است و نه نسبی مانند سلسیوس و فارنهایت، وضع شده است.
پاسخ: یک اشتباه رایج، فراموش کردن ترتیب عملیات در تبدیل سلسیوس به فارنهایت است. بسیاری ابتدا 32 را جمع میکنند و سپس در 9/5 ضرب میکنند که نتیجه غلط میدهد. همیشه باید ابتدا در 9/5 ضرب کرد و سپس 32 را اضافه کرد. به مثال 35°C که در بخش قبل حل شد دقت کنید.
پاسخ: خیر. صفر مطلق (0 K) پایینترین دمای ممکن در جهان است. از نظر تئوری، رسیدن به آن غیرممکن و داشتن دمای پایینتر از آن نیز غیرممکن است. بنابراین در مقیاس کلوین دما همواره یک عدد مثبت یا صفر است. دمای منفی فقط در مقیاسهای نسبی مانند سلسیوس (مثلاً -20°C) معنی میدهد.
پاورقی
۱ دما (Temperature): کمیتی فیزیکی که میزان گرمی یا سردی یک جسم را نشان میدهد و با انرژی جنبشی متوسط ذرات سازندهی آن مرتبط است.
۲ مقیاس دماسنجی (Temperature Scale): یک سیستم استاندارد برای اندازهگیری و بیان دما، مانند سلسیوس یا فارنهایت.
۳ سلسیوس (Celsius): مقیاسی که در آن نقطه ذوب یخ صفر درجه و نقطه جوش آب صد درجه است.
۴ فارنهایت (Fahrenheit): مقیاسی که عمدتاً در ایالات متحده استفاده میشود و در آن نقطه ذوب یخ ۳۲ درجه و نقطه جوش آب ۲۱۲ درجه است.
۵ کلوین (Kelvin): مقیاس دمای ترمودینامیکی مطلق که در آن صفر مطلق برابر با صفر کلوین است. اندازه هر درجه آن با درجه سلسیوس برابر است.
۶ دماسنج (Thermometer): وسیلهای برای اندازهگیری دما.
۷ صفر مطلق (Absolute Zero): پایینترین دمای ممکن نظری، که در آن حرکت حرارتی ذرات متوقف میشود (0 K یا -273.15°C).
۸ سهگانه آب (Triple Point of Water): دمای منحصر به فردی که در آن سه حالت جامد (یخ)، مایع (آب) و گاز (بخار آب) در تعادل هستند. این دما دقیقاً برابر 0.01°C یا 273.16 K است.
