دما و دماسنجی

هنگامی که دو جسم سرد و گرم را کنار هم قرار دهیم، گرما از جسم گرم تر به جسم سرد تر منتقل می شود و این عمل ادامه پیدا می کند تا هر دو جسم به یک اندازه گرم باشند. در این حالت می گوییم دو جسم در تعادل گرمایی هستند یا هم دما هستند. دما کمیتی است که میزان گرمی و سردی جسم را مشخص می کند.  وقتی بیماری به پزشک مراجعه می کند، پزشک دمای بدن بیمار را اندازه می گیرد. و یا برای نگهداری مواد غذایی در یخچال دمای یخچال مهم است. حال چگونه دما را اندازه می گیریم؟

کمیت دماسنجی

 برای اندازه گیری دما نیاز به یک مقیاس دمایی داریم و برای این کار از هر مشخصه ای که با گرمی و سردی جسم تغییر می کند، می توان استفاده کرد. به این ویژگی کمیت دماسنجی گفته می شود. اساس کار دما سنج ها، تغییر کمیت دماسنجی است. ساده ترین نوع دماسنج ها، دماسنج های جیوه ای و الکلی است که کمیت دماسنجی آنها، ارتفاع مایع درون لوله دماسنج است.

مقیاس های دما

سلسیوس (سانتی گراد)

 در این مقیاس دمای مخلوط آب و یخ خالص در حال تعادل در فشار متعارف جو (۱atm) را صفر درجه سلسیوس و دمای بخار آب جوش خالص در فشار جو متعارف را ۱۰۰ درجه سلسیوس قرار می دهند و بین صفر تا ۱۰۰ را به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می کنند و هر قسمت را یک درجه سلسیوس (C°) یا سانتی گراد می نامند. دمای سلسیوس را معمولا با 𝜽 نمایش می دهند.

کلوین 

یکای دما در  SIکلوین است و معمولا با حرف  T نمایش داده می شود. صفر کلوین که به آن صفر مطلق هم می گویند، برابر با -۲۷۳٫۱۵°C  است. فاصله درجه بندی کلوین با فاصله درجه بندی سلسیوس یکی است. بنابر این برای تبدیل دما از سلسیوس به کلوین از رابطه زیر استفاده می کنیم:

فارنهایت

در این مقیاس، نقطه ثابت پایینی و نقطه ثابت بالایی به گونه ای انتخاب شده است که دمای مخلوط آب و یخ در حالت تعادل ۳۲ درجه فارنهایت و دمای جوش آب ۲۱۲ درجه فارنهایت نشان داده می شود.دمای فارنهایت با (F)  نشان داده می شود. رابطه بین دمای فارنهایت و سلسیوس(𝜽)  به صورت زیر است:

مقیاس های سلسیوس و کلوین و فارنهایت را می توانید در شکل زیر مشاهده و مقایسه کنید.

مثال هایی از تبدیل دما به مقیاس های مختلف

مثال ۱:

الف)دمای بدن یک انسان سالم تقریبا ۳۷°C است. این دما را بر حسب کلوین و فارنهایت بنویسید.

ب) گرم ترین نقطه روی زمین، ناحیه ای در کویر لوت است که دمای آن تا حدود ۷۰°C و سردترین نقطه در قطب جنوب است که دمای آن تا  -89°Cگزارش شده است. این دماها را بر حسب کلوین و فارنهایت به دست آورید.

پاسخ:

الف: از روابط دماسنجی بین سلسیوس و فارنهایت و سلسیوس و کلوین استفاده می کنیم. برای راحتی کار به جای استفاده از عدد ۲۷۳٫۱۵ از عدد ۲۷۳ استفاده می کنیم.

ب:

مثال ۲ :

الف) رابطه تغییر دما بر حسب سلسیوس و کلوین را بیابید.

ب) رابطه بین تغییر دما بر حسب سلسیوس و فارنهایت را بیابید.

پاسخ :

دماسنج های معیار

دانشمندان سه نوع دماسنج را به عنوان دماسنج های معیار برای اندازه گیری گستره دماهای مختلف پذیرفته اند.

۱)دماسنج گازی

۲)دماسنج مقاومت پلاتینی

۳) تَف سنج

دماسنج ترموکوپل

این دماسنج در مقایسه با دماسنج های معیار دارای دقت کمتری است. به همین دلیل از دماسنج های معیار کنار گذاشته شده است ولی چون هنوز بسیار کاربرد دارد، به بررسی آن می پردازیم.

وقتی دو فلز غیر همجنس در دو نقطه به هم وصل شوند و این نقاط اتصال در دو دمای مختلف قرار گیرند، بین این دو نقطه اختلاف پتانسیل به وجود می آید که سبب شارش جریان الکتریکی می شود. این پدیده را ترموالکتریک می گویند.

در شکل بالا دو سیم فلزی (مسی و کنستانتان) به هم وصل شده و به یک ولت سنج متصل هستند. یک اتصال را در مخلوط آب و یخ می گذاریم و اتصال دیگر را در یک ظرف آب گرم قرار داده و اختلاف پتانسیل را با ولت سنج بررسی می کنیم. با افزایش دمای آب گرم مشاهده می شود که ولتاژ نیز افزایش می یابد . می توان به کمک تغییر اختلاف پتانسیل، اختلاف دما بین مخلوط آب و یخ و ظرف آب گرم را به دست آورد. بنابر این در ترموکوپل کمیت دماسنجی ولتاژ می باشد.

مزایای دماسنج ترموکوپل

۱)گستره دماسنجی این دماسنج ها زیاد می باشند. البته این گستره به جنس سیم ها بستگی دارد مثلا در یکی از انواع ترموکوپل ها گستره دما از -۲۷۰°C تا ۱۳۷۲°C  است.

۲) به دلیل جرم کوچک محل اتصال، خیلی سریع با دستگاهی که دمای آن اندازه گیری می شود به تعادل گرمایی می رسد.

۳) چون به کمک تغییرات ولتاژ می توان دما را اندازه گیری کرد، میتوان از این دماسنج به عنوان هشداردهنده نیز استفاده کرد. بنابر این از این دماسنج ها در مدارهای الکترونیکی بسیاری از وسایل صنعتی و… استفاده می شود.

دماسنج بیشینه – کمینه

نوع ویژه ای از دماسنج های مایعی که بیشینه و کمینه دما را در یک مدت زمان معین نشان می دهد، دماسنج بیشینه – کمینه نام دارد. از این دماسنج ها معمولا در مراکز پرورش گل و گیاه، باغداری، هواشناسی و … استفاده می شود.

هنگامی که دما بالا رود، به دلیل انبساط الکل یا روغن موجود در مخزن وسطی و لوله سمت چپ دماسنج، جیوه در لوله سمت راست به بالا رانده می شود و شاخص فولادی لوله سمت راست را با خود بالا می برد. اگر سطح جیوه در لوله سمت راست پایین بیاید، شاخص فولادی که به آن فنرهای ریزی متصل است، همراه آن حرکت نمی کند و در همان محل قبلی خود در مقابل دمای بیشینه می ایستد.

 وقتی الکل به علت کاهش دما منقبض می شود، جیوه  در سمت چپ لوله بالا می رود و شاخص فولادی دیگر طرف چپ لوله را در این طرف لوله بالا می راند. اگر سطح جیوه در لوله سمت چپ پایین بیاید شاخص فولادی سمت چپ که به آن نیز فنرهای ریزی متصل است همراه با آن حرکت نمی کند و در همان محل قبلی خود در مقابل دمای کمینه می ایستد.

 با استفاده از آهنربا، این دو شاخص در پایان مدت زمان موردنظر به سطح جیوه برگردانده می شو.  در طراحی جدید این نوع دماسنج ها، به علت سمی بودن جیوه از مایع ترکیبی جدیدی به عنوان جایگزین استفاده می شود. این دماسنج به دماسنج Six هم معروف است.

---

ویدیو آموزشی

ویدیو آموزشی زیر را در مورد مباحث بالا که توسط استاد مصطفی کبیری آماده شده است، مشاهده کنید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

---

تمرین های دما و دماسنجی

تمرین ۱ : در چه دمایی دماسنج های سلسیوس و فارنهایت عدد یکسانی را نشان می دهند؟

تمرین ۲: اگر دمای هوا به اندازه  1°C تغییر کند، در درجه بندی فارنهایت دما چه مقدار تغییر کرده است؟

تمرین ۳ : اگر دمای جسمی بر حسب درجه فارنهایت ۱۰ درصد کاهش یابد، دما بر حسب درجه سلسیوس  6°C تغییر می کند. دمای جسم در ابتدا چند درجه فارنهایت بوده است؟

تمرین ۴: دماسنج ترموکوپل نسبت به دماسنج الکلی ….

۱)تغییرات دما را سریع تر نشان می دهد.

۲) محدوده دماهای کمتری را اندازه گیری می کند.

۳) دقت کمتری دارد.

۴) برای اندازه گیری دماهای پایین مناسب نیست.

تمرین ۵: الف) چه دمایی بر حسب فارنهایت، دو برابر دمایی در مقیاس سلسیوس است؟

ب) چه دمایی بر حسب فارنهایت، نصف دمایی در مقیاس سلسیوس است؟

---

---