دما و دماسنج

بعضي‌ از اجسام مثل آب جوش يا شعله كبريت خيلي داغ هستند، آتقدر داغ كه مي‌توانند به ما آسيب برسانند. در طرف ديگر يك تكه يخ خشك خيلي سرد است. آنقدر كه مي‌تواند  بدن ما را بلرزاند. به همين دليل  گرمي يا سردي اجسام را با لمس كردن نمي‌توان بطور دقيق تعيين كرد. اگر آن جسم خيلي داغ يا خيلي سرد باشد، به ما آسيب مي‌رساند و اگر به اندازه‌اي كه ما احساس مي‌كنيم سرد يا گرم نباشد، تنها با لمس كردن نمي‌توان گفت كه آن جسم به چه اندازه گرم يا سرد است. ما براي سنجش گرمي يا سردي اجسام به كميتي نياز داريم، كه از لمس كردن مطمئن‌تر باشد. هرقدر جسمي سردتر باشد دمايش پايين تر و به هر اندازه گرمتر باشد دمايش نيز بالاتر است.

دما معياري براي اندازه‌گيري و سنجش گرمي و سردي جسم است. پس ابتدايي ترين روش اندازه گيري دما استفاده از حس لامسه است.

يك دانشمند ايتاليايي به نام گاليله در حدود سال 1592 دست به سلسله آزمايشهايي زد. گاليله دماسنجي درست كرد كه بهتر است آنرا دماسنج هوايي بناميم. زيرا وي اين دماسنج را با يك لوله شيشه‌اي كه يك سر آن آزاد

و در سر ديگرش حباب شيشه‌اي قرار داشت، ساخته بود.

گاليله سر آزاد لوله را به درون آب فرو برده بود. هنگامي كه به لوله حرارت مي‌داد، هواي داخل آن منبسط شده، سطح مايع داخل لوله را پايين مي‌آورد. برعكس هنگامي كه لوله سرد مي‌شد، هواي داخل آن نيز فشرده شده و سطح مايع را بالا مي‌برد.

گاليله اين دماسنج را براي اندازه‌گيري حرارت يا برودت هوا بكار برد. اما يك اشكال بزرگ در كار اين نوع دماسنج جلوه مي‌نمود و آن اينكه بالا يا پايين آمدن سطح مايع تنها بعلت حرارت يا برودت هوا صورت نمي‌گرفت. بلكه عوامل ديگري مانند تغييرات فشار جوي نيز در اين كار سهيم بودند كه دقيق نبودن دماسنج گاليله را آشكار مي‌ساخت.

دماسنج

دماسنج  مي‌تواند اندازه‌گيري دقيقي از درجه سردي يا گرمي جسم داشته باشد. رايج‌ترين دماسنجها دماسنج جيوه‌اي يا الكلي است. اساس اين دماسنجها براساس انبساط مايعات است. تقريباً همه مواد چه جامد ، مايع يا گاز وقتي گرم  مي‌شوند منبسط مي‌شوند. هرگاه در اطراف يك دماسنج دماي محيط افزايش پيدا كند، ارتفاع مايع دماسنج افزايش پيدا مي‌كند و بالعكس هر گاه دماي محيط كاهش يابد، ارتفاع مايع درون دماسنج كاهش مي‌يابد. معمولترين دماسنجها، دماسنج جيوه‌اي والكلي مي‌باشند.

ساختمان دماسنج جيوه‌اي و الكلي

اين دما‌سنجها مطابق شكل از يك لوله شيشه‌اي باريك سربسته و خالي از هوا تشكيل شده كه قسمت پايين آن متصل به يك مخزن است. اين مخزن مي‌تواند مملو از جيوه يا الكل باشد. با بالا رفتن دماي محيط اطراف دماسنج، دماي مايع درون دماسنج انبساط پيدا كرده، حجم آن افزايش پيدا مي‌كند و مايع در لوله باريك بالا مي‌رود، تا جاييكه سطح بالايي آن در ارتفاع مشخصي قرار مي‌گيرد. هرچه دما بالاتر برود ارتفاع مايع بالاتر مي‌رود و هر چه دما پايين‌تر بيايد ارتفاع مايع پايين‌تر مي‌آيد.

دماسنجي كه ما اكنون به كار مي‌بريم درست همان كار دماسنج گاليله را انجام مي‌دهد. با اين تفاوت كه در دماسنج ما به بجاي هوا، جيوه تعبيه شده است. جيوه براثر حرارت يا بردوت منبسط يا منقبض شده و بدين وسيله در درون يك لوله شيشه‌اي بالا و پايين مي‌رود.



مدرج كردن دماسنج

چرا دماسنج را مدرج مي‌كنيم؟ براي تعريف دماي واحد در شرايط يكسان مجبور هستيم نشانه‌هايي را بر روي دماسنج قرار دهيم تا همه بتوانند با آن نشانه‌ها  در يك وضعيت، يك دما را اندازه گيري كنند.

 چگونه مي‌توانيم يك دماسنج را درجه‌بندي كنيم؟ در درجه‌بندي سيليسيوس كه يكي از درجه‌بنديهاي اصلي محسوب مي‌شود، دماي يخ خالص در حال ذوب شدن را براي صفر درجه سانتي‌گراد و دماي بخار آب‌جوش را براي صد درجه درنظر مي‌گيريم. مدرج كردن ساختمان دماسنج را به اين صورت شروع مي‌كنيم:

1-  دماسنج را درون مقداري يخ خرد شده درون كاسه‌اي كه در حال ذوب شدن است قرار مي‌دهيم. دماسنج را طوري در ظرف قرار مي‌دهيم كه كاملاً درون يخ قرار گيرد. پس از آنكه ارتفاع جيوه درون لوله پايين‌تر آمد در يك ارتفاع ثابتي قرار مي‌گيرد آن محل را علامت‌گذاري مي‌كنيم و آن را عدد صفر مي‌ناميم.

2-  دماسنج را به گونه‌اي در بالاي سطح آب خالص در حال جوش قرار مي‌دهيم كه قسمت مخزن دماسنج كاملاً در تماس با بخار قرار بگيرد. اين بار نيز محل قرار گرفتن سطح جيوه در لوله را علامت‌گذاري مي‌كنيم و عدد صد را كنارآن ثبت مي‌كنيم.

3-فاصله بين درجه صفر و درجه صد را به صد قسمت مساوي تقسيم‌بندي مي‌كنيم و هر قسمت را يك درجه سيليسيــوس مي‌ناميــم.

سيليسيوس دانشمندي است كه با اين روش اين درجه‌بندي را انجام داده است و به احترام مقام ايشان اين درجه‌بندي به نام درجه‌بندي سيليسيوس ناميده مي‌شود و آن را با علامت اختصاری C نشان مي‌دهيم. اين دماسنج را براي بالاتر از صد درجه و پايين‌تر از صفر درجه  نيز مدرج مي‌كنيم و دما را بر حسب درجه  سيليسيوس كه معمولاً     مي‌ناميم نشان مي‌دهيم.

فعالیت تحقیقی

چرا نبايد در لوله باريك درون دماسنج حبابهاي هوا وجود داشته باشد؟(راهنمايي: نقش وجود هوا را پيگيري كنيد.)

دو دمـاسنج جيوه‌اي و الكلي كه نقطه انجماد الكل 115- درجه سلسيوس و نقطه جوش الكل 79 درجه سلسيوس و نقطه انجماد جيوه 39- درجه سلسيوس و نقـــطه جوش جيوه  357 درجه سلسيوس  است نشـــان داده شده است.

پرسش : دماي هواي هواپيما در ارتفاع 20000 پايي 50- درجه سلسيوس است، براي اندازه‌گيري اين دما چه نوع دماسنجي را پيشنهاد مي‌كنيد. 

كاربرد استفاده از دماسنجهاي جيوه‌اي و الكلي

پرسش:  آيا مي‌توان با يك دماسنج الكلي دماي جوش آب را اندازه‌گيري كرد؟

پرسش:  به نظر شما در چه مواقعي مي‌توانيم از دماسنجهاي جيوه‌اي و الكلي استفاده كنيم؟

مثال 1-1: اندازه‌گيري دماهاي بسيار بالا از دماسنج ………… و براي اندازه‌گيري دماهاي بسيار پايين از دماسنج ………… استفاده مي‌كنيم.

پاسخ: براي اندازه‌گيري دماهاي بسيار بالا از دماسنجهاي ترموكوپل و براي

نقاط ثابت پايين و بالاي دماسنج

مخلوط آب و يخ در حال ذوب را به عنوان نقطه ثابت پاييني با صفر درجه و بخارآب در حال جوش به عنوان نقطه ثابت بالايي با صد درجه تعيين و تثبيت مي‌گردد.

 

ويژگيهاي تعيين نقاط ثابت پاييني و بالايي  

 

1-   يخ بايد خالص باشد زيرا ناخالصي‌هاي آن نقطه انجماد را پايين مي‌آورد.

2- آب بايد خالص باشد زيرا ناخالصي‌هاي آن دماي جوش آب را بالا مي‌برند.

3-  مخزن دماسنج در داخل آب قرار نگيرد زيرا ممكن است دماي آب در قسمتهاي مختلف آن اندكي با هم تفاوت داشته باشد در حاليكه دماي بخار مجاور سطح آب، برابر نقطه جوش آب است.

4-چون فشار محيط براي تعيين نقاط ثابت بالايي و پاييني مؤثر است نقاط ذوب يخ و جوش به فشار محيط بستگي دارند. براي تعيين نقاط فشار   بايد برابر با فشار هوا در سطح دريا باشد(1 اتمسفر)

سردترين و گرمترين روز زمين و ماه

سردترين جاي زمين قاره جنوبگان ( قاره قطب جنوب ) است. دانشمندان شوروي پايگاهي در جنوبگان ايجاد كرده‌اند كه نسبت به همه نقاط ديگر جنوبگان از اقيانوس دورتر است.

در نتيجه، اين مكان از جاهاي ديگر سردتر مي‌شود. اين دانشمندان در 22 ژوئیه 1983 ميلادي دماي را سنجيدند. اين كمترين دمايي است كه تا سال 1992 اندازه گيري شده است.

دما تا چه حد ممكن است زياد شود؟ مي‌دانيم كه هواي اطراف ما، در آفتاب تابستان گرم مي‌شود.

بالاترين دمايي كه روي زمين سنجيده شده در 13 سپتامبر 1992 ميلادي در محلي بوده كه امروزه كشور ليبي است. اين دما 58 درجه سلسيوس در سايه بوده است. در كره ماه دما تا  117 درجه سلسيوس هم مي‌رسد. اين دما بالاتر از دماي نقطه جوش آب است.  

در كره ماه به علت عدم  وجود هوا گرما منتقل نمي‌شود. بنابراين، ماه ممكن است از اين هم سردتر شود. شب ماه دو هفته طول مي‌كشد، و در اين مدت دما مرتباً كم مي‌شود. در پايان شب طولاني ماه، دما ممكن است تا  127- درجه سلسيوس  پايين برود.

دماي سياره‌هايي كه خيلي از خورشيد دورند، حتي از اين هم كمتر است. دماي سطح پلوتون، دورترين سياره ممكن است تا  128- درجه سلسيوس هم برسد.

دماي جاهاي مختلف

دماي مركز زمين در حدود 6000 درجه سلسيوس  است. در مركز مشتري، دما احتمالاً در حدود 54000 درجه سلسيوس و دماي مركز خورشيد احتمالاً در حدود 15000/000C است.ستاره‌هايي كه بزرگتر از خورشيدند گرمتر هم هستند. دماي مركز بعضي از ستار‌ه‌ها ممكن است هزارها ميليون درجه باشد. دما در سطح زمين ممكن است خيلي پايين‌تر از صفر سلسيوس برود. اگر دمايي ده درجه زير صفر سلسيوس باشد، مي‌توان گفت كه دما «ده درجه سلسيوس زير نقطه انجماد» است، اما خيلي آسانتر است كه بگوييم كه دما است علامت منفي نشان مي‌دهد كه دما زير صفردرجه است.

 

 

 

دما برحسب

جسم

دمابرحسب

جسم

79

 نقطه جوش الكل

 

 بالاترين دماي بدست آمده در آزمايشگاه

37

 بدن انسان سالم

 

 مركز خورشيد 

14

 سطح زمين (متوسط)

 

 سطح خورشيد

0

 نقطه انجماد آب

 

 مركز زمين

-39

 نقطه انجماد جيوه

 

 نقطه ذوب آهن

-115

 نقطه انجماد الكل

 

 نقطه ذوب طلا

-183

 نقطه جوش اكسيژن مايع

 

 نقطه جوش جيوه

-235

 نقطه جوش هيدروژن مايع

 

 نقطه ذوب سرب

-270

 فضاي بين ستاره اي

 

 نقطه ذوب قلع

-273/15

پايينترين دماي بدست آمده در آزمايشگاه

100

 نقطه جوش آب

جدول 2-1 دماي چند نقطه در طبيعت

گابريل دانيل فارنهايت دانشمند هلندي، ابتدا به آمستردام رفت تا شغل معلمي پيشه گيرد. امـا ذوق و حرفه اصلي وي ساختن وسايـل هـواشنـاسي بود. چون در آن زمان براي مطالعه اقليمها دماسنج ضرورت داشت:

او توجه خاصي به ساختن اسبـاب انـدازه‌گيـري دما كرد. در قرن هفدهم نوعي دماسنجهاي گازي و الكلي ساخته شده بودكه دقت كافي نداشتـند. فارنهايت جيوه را مورد استفاده قرار داد ودر سال 1714 ميـلادي دماسنجي جيوه‌اي ســاخـت.

وي نخست راهي براي پاك‌سازي جـيوه اختراع كرد. بطوريكه جيوه ديگر بــه ديواره‌هـاي لوله باريـك نمي‌چـسبيد. دماسنج جيوه‌اي داراي اين مزيت بود كه اندازه‌گيري دمـاهاي بـالاتر از نــقطـه جــوش و پــاييـن‌تر از نقـطه انجماد آب را ممكن مي‌ساخت. از اين گذشته ميزان انبساط و تراكم جيوه نسبـتاً ثابـت‌تر از غالب مـواد ديــگر است. به همين دليل درجه‌بندي دقيق آن مقدور بود. فارنهايت نتيجه تحقيقات خود درباره دماسنج را  در سال  1724 ميلادي منتشر كرد و در همان سال به عضويت انجمن سلطنتي انگلستان برگزيده شد.

اندازه‌گيري دماهاي بسيار پايين از دماسنج گازي استفاده مي‌شود.

هنگامي كه جيوه گرم مي‌شود، خود را از ديواره شيشه بالا مي‌كشد، انبساط حجم پيدا مي‌كند و چون سرد مي‌‌شود منقبض شده و در حباب شيشه‌اي پائين لوله دماسنج، جمع مي‌شود. دماسنج جيوه‌اي را گراند دوك فرديناند دوم، در حدود سال 1654 ميلادي براي نخستين بار به كار برد.

دماسنج پزشكي

دماسنج پزشكي داراي يك لوله خيلي باريك شيشه‌اي است، كه به مخزن جيوه‌اي با جداره‌اي خيلي نازك مربوط شده است. وقتي دماسنج پزشكي در دهان يك مريض قرار مي‌گيرد، در اثر گرماي بدن بيمار جيوه در مخزن منبسط‌ شده، و در لوله بالا مي‌رود. اما اين جيوه به سهولت پايين نمي‌آيد. زيرا بين مخزن و لوله يك معبر خيلي تنگ پيش‌بيني شده است، تا جيوه فوراً پايين نرود، و پزشك امكان خواندن درجه تب مريض را داشته باشد. پايين نرفتن جيوه در لوله، علاوه بر وجود اين شكاف تنگ، علت ديگري هم دارد و آن اينكه نيروي جاذبه مولكولي مولكولهاي جيوه بيشتر از مولكولهاي شيشه و جيوه است، بنابراين از شكاف به سادگي عبور نمي‌كند. همان‌طور كه اگر به يك صافي چايي كه مانند يك الك كوچك است، روغن ماليده شود، يك قاشق آب را مي‌توان به سادگي داخل آن نگه داشت.

 زيرا جاذبه مولكولي مولكولهاي آب بيشتر از مولكولهاي آب و روغن است. اما راه ساده‌اي براي برگرداندن جيوه به مخزن دماسنج وجود دارد: اگر دماسنج را يك لحظه در آب گرم فرو برده، و فوراً بيرون بكشيم، جيوه به سهولت سرجاي خود برمي‌گردد. زيرا در اين صورت ظرف شيشه‌اي زودتر از جيوه گرم شده، منبسط مي‌شود و بزرگ شدن نسبي اين سوراخ باريك نيز باعث برگشت فوري جيوه به مخزن مي‌گردد. به شرطي كه آب بيش از حد گرم نباشد تا سبب شكستن دماسنج نشود.