علوم پایه، فیزیک ۱۸۳۰ بازدید

در یک روز سرد زمستانی شنیدن جمله‌هایی مانند امروز هوا بسیار سرد است یا دمای هوا زیر صفر درجه است بسیار عادی جلوه می‌کند. همچنین، در روزهای گرم تابستان بارها از گرمی هوا و بالا بودن دما شکایت کرده‌اید. آیا تاکنون به این نکته توجه کرده‌اید که مفهوم دما چیست؟ در این مطلب، با مفهوم دما و یکاهای آن به زبان ساده آشنا خواهید شد.

دما چیست ؟

در یک لیوان، آب سرد و در لیوانی دیگر آب جوش بریزید. این دو لیوان چه تفاوتی با یکدیگر دارند؟ یکی از لیوان‌ها سرد و دیگری داغ است. به بیان دیگر، دمای این دو لیوان متفاوت است.

به حرکت و ارتعاش اتم‌ها، دما می‌گوییم. برای درک مفهوم دما باید به ذره‌های کوچک سازنده آب داغ توجه کنیم. اتم‌ها و مولکول‌های سازنده آب داغ را در نظر بگیرید. همان‌گونه که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید مولکو‌ل‌های سازنده آب داغ بسیار سریع حرکت می‌کنند.

حرکت مولکول‌های آب داغ

اکنون حرکت مولکول‌های آب سرد را در نظر بگیرید. سرعت حرکت مولکول‌های آب سرد بسیار کمتر خواهد بود.

 حرکت مولکول‌های آب سرد

اکنون می‌توانید به پرسش دما چیست پاسخ دهید. به حرکت و ارتعاش اتم‌ها، دما گفته می‌شود. حرکت اتم‌ها و مولکول‌ها با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شود، اما حرکت آن‌ها سبب می‌شود که گرمی یا سردی اجسام را حس کنیم. به هنگام لمس جسم داغ، ارتعاش سریع اتم‌ها موجب انتقال قسمتی از انرژی به پوست می‌شود. در نتیجه،‌ اتم‌های پوست با سرعت بیشتری ارتعاش می‌کنند و داغی لیوان آبِ داغ احساس خواهد شد.

به هنگام لمس لیوانِ آب سرد، انرژی از اتم‌های دستِ ما به اتم‌های آب سرد منتقل می‌شود. بنابراین سرد بودن لیوان را حس خواهیم کرد.

در کنار مفهوم دما، مفهوم دیگری نیز به نام گرما وجود دارد. بنابراین به هنگام تعریف گرما باید بسیار محتاط باشیم. گرما شکلی از انرژی است در حالی‌که دما تعریف متفاوتی دارد.

تعریف فیزیکی دما چیست ؟

تاکنون با مفهوم دما به صورت کلی آشنا شدیم و فهمیدیم به حرکت و ارتعاش اتم‌های یک جسم دما می‌گوییم. به منظور آشنایی با مفهوم دما چیست در علم فیزیک ابتدا به تعریف تئوری دما و در ادامه به تعریف عملی آن می‌پردازیم.

به منظور تعریف دما به صورت تئوری باید با مفاهیم فیزیکی زیر آشنایی داشته باشیم.

  1. سیستم دارایِ انرژی، توانایی انجام کار را بر روی محیط اطراف دارد.
  2. انرژی در حالت کلی به صورت انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل تعریف می‌شود.
  3. انرژی پایسته است. معنی این جمله کوتاه آن است که انرژی نه به‌وجود می‌آید و نه از بین می‌رود. هنگامی که صورتی از انرژی کاهش می‌یابد، صورت دیگری از انرژی باید افزایش پیدا کند.

برای درک بهتر مفاهیم عنوان شده در بالا، در ادامه مثالی گفته می‌شود. سنگی را بالای قله کوهی در نظر بگیرید. سنگ به دلیل قرار گرفتن در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین دارای انرژی پتانسیل گرانشی (U) خواهد بود. با هل دادن سنگ از بالای تپه به آن انرژی جنبشی می‌دهیم. در این مثال سیستم را به گونه‌ای انتخاب می‌کنیم که در مسیر سنگ به سمت پایینِ تپه ،انرژی اتلافی برابر صفر باشد. در نتیجه، انرژی پتانسیل اولیه سنگ با انرژی جنبشی پایانی برابر خواهد بود.

مثال پایستگی انرژی

اکنون یک قدم جلوتر می‌رویم. فرض کنید سنگ در انتهای مسیر به دیواری برخورد می‌کند. سنگ پس از برخورد با دیوار متوقف خواهد شد. سوالی که مطرح می‌شود آن است که آیا قانون پایستگی انرژی نقض شده است؟ انرژی جنبشی سنگ پس از توقف صفر شده است و انرژی دیگری جایگزین آن نشده است. انرژی در کجا مصرف شده است؟

پاسخ به پرسش مطرح شده در بالا، داخل سنگ است. انرژی از حالت انرژی خارجی (انرژی جنبشی سنگ در حال حرکت) به انرژی داخلی تبدیل شده است. دو انرژی داخلی و خارجی از نظر اندازه با یکدیگر برابر خواهند بود. انرژی خارجی به دلیل نظم موجود در آن، قابل دیدن است. انرژی جنبشی انتقالی سنگ به دلیل حرکت هم‌زمان و رو به جلوی تمام قسمت‌های آن خواهد بود. تمام قسمت‌ها هم‌زمان با هم به دور مرکز جرم می‌چرخند.

در مقابل، انرژی جنبشی داخلی سنگ، قابل مشاهده نیست. دلیل این امر آن است که قسمت‌های داخلی تشکیل دهنده سنگ بسیار کوچک هستند و حرکت آن‌ها به طور کامل نامنظم است. انرژی پتانسیل نیز به دو صورت داخلی و خارجی وجود دارد.

اجسام در صورت داشتن انرژی داخلی قادر به تبادل انرژی با یکدیگر خواهند بود. به این تبادل انرژی بین اجسام، تماس حرارتی یا انتقال گرما گفته می‌شود. اگر تبادل کل انرژی داخلی برابر صفر باشد یا به عبارتی دیگر، هیچ گرمایی از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر منتقل نشود آن‌گاه کل سیستم مورد مطالعه در تعادل حرارتی قرار دارد. در نتیجه، گرما به صورت انتقال کل انرژی داخلی از ناحیه‌ای به ناحیه دیگر تعریف می‌شود.

تعادل حرارتی

به جمله زیر دقت کنید:

گرما در هیچ جسمی ذخیره نمی‌شود.

با توجه به جمله فوق، گرما از مکانی به مکان دیگر یا از جسمی به جسم دیگر منتقل می‌شود. جهت انتقال گرما با علامت مثبت یا منفی نشان داده می‌شود. هنگامی که گرما به محیطی وارد می‌شود از علامت «+» و هنگامی که گرما از آن محیط خارج می‌شود از علامت منفی استفاده می‌کنیم. گرما می‌تواند در تمامی جهت‌ها منتقل شود اما باید به این موضوع دقت کنیم که گرما صورتی از انرژی است. بنابراین، گرما کمیتی اسکار است. همچنین، گرما صورتی از انرژی است و مانند انرژی با واحد ژول اندازه‌گیری می‌شود.

پس از مقدمه‌ای بر مبحث دما و گرما، بار دیگر به پرسش دما چیست برمی‌گردیم.

هنگامی که دو ناحیه با یکدیگر در تماس حرارتی باشند و تبادل انرژی داخلی بین آن‌ها برابر صفر باشد آن‌گاه دو ناحیه دمای یکسانی دارند. در نتیجه، دما کمیتی است که جهت انتقال گرما را تعیین می‌کند. هنگامی که گرما از ناحیه‌ای خارج می‌شود دمای آن ناحیه بیشتر خواهد بود. برعکس، ورود گرما به ناحیه‌ای مشخص، نشان‌دهنده دمای پایین‌تر آن ناحیه است. به بیان دقیق‌تر، گرما از منطقه گرم به منطقه سرد منتقل می‌شود. این عبارت تعریف تئوری دما است.

تعریف دیگر دما چیست ؟

در مطالب بالا با تعریف تئوری دما آشنا شدیم. در ابتدا آموختیم که دما اندازه‌گیری انرژی جنبشی متوسط ذرات تشکیل دهنده جسم است. هنگامی که دما افزایش می‌یابد، حرکت این ذرات نیز افزایش خواهد یافت. در ادامه یاد گرفتیم هنگامی که دوجسم در تماس طولانی با یکدیگر باشند کمیت مشترکی به نام دما دارند. اکنون تعریف دیگری از دما ارائه می‌شود.

دما نرخ تغییر انرژی داخلی نسبت به آنتروپی است. 

در تعریف کوتاه بالا مفاهیم زیادی پنهان شده است. در ابتدا ممکن است این سوال مطرح شود که آنتروپی چیست؟ برای پاسخ به این پرسش توضیحی کوتاهی در مورد این پدیده فیزیکی ارائه می‌شود.

تعادل حرارتی، انرژی خالص نیست. هنگامی که دو جسم به تعادل حرارتی می‌رسند انرژی پایسته خواهد بود. همچنین هنگامی که جسمی گرم‌تر و جسم دیگر سردتر می‌شود پایستگی انرژی همچنان برقرار خواهد بود. تعادل حرارتی روندی آماری است. در واقع، دلیل رخ دادن این پدیده آن است که تماس دو جسم با یکدیگر و رسیدن آن دو به دمای یکسان محتمل‌ترین حالتی است که می‌تواند اتفاق بیافتد.

از آنجایی که دما کمیتی آماری است نمی‌توان در مورد دمای یک ذره به صورت تکی صحبت کرد. بنابراین، هیچ‌گاه نمی‌توان در رابطه با دمای یک الکترون یا فوتون تنها صحبت کنیم.

برای آشنایی بیشتر با مفهوم آنتروپی می‌توانید به مطلب آنتروپی چیست؟ — از صفر تا صد مراجعه کنید.

تفاوت انرژی حرارتی و دما

تاکنون یاد گرفتیم دما چیست و با مفهوم تعادل حرارتی آشنا شدیم. سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که تفاوت انرژی حرارتی با دما در چیست؟ اگر دما به صورت اندازه انرژی جنبشی متوسط تعریف می‌شود آیا انرژی حرارتی با دما یکسان نخواهد بود؟

پاسخ به پرسش فوق خیر است. انرژی حرارتی انرژی کل یک جسم است که منشا آن حرکت‌های داخلی ذرات تشکیل دهنده آن جسم خواهد بود. اما دما با اندازه‌گیری انرژی جنبشی متوسط ذرات به دست می‌آید.

به این مثال توجه کنید. برشی از یک پیتزا را بر روی فویل آلومینیومی بگذارید. سپس هر دوی آن‌ها را داخل فر قرار دهید. پس از گذشته ده دقیقه پیتزا داغ شده و آماده خوردن است. دمای ورقه آلومینومی نیز با دمای پیتزا برابر خواهد بود. به هنگام خارج کردن پیتزا و ورقه آلومینومی از فر متوجه خواهید شد که به هنگام دست زدن به ورقه آلومینومی دست شما نمی‌سوزد. اما به پیتزا نمی‌توانید دست بزنید زیرا بسیار داغ خواهد بود.

دمای ورقه آلومینیوم مانند دمای پیتزا بالا است اما ورقه آلومینیوم به دلیل جرم بسیار کم، انرژی گرمایی زیادی نخواهد داشت. در نتیجه دست ما به هنگام لمس این ورقه نمی‌سوزد. بنابراین از این آزمایش ساده نتیجه می‌گیریم که انرژی حرارتی و دما دو کمیت متفاوت هستند.

آزمایش برای درک بهتر تفاوت انرژی گرمایی و دما

تعریف عملی دما چیست ؟

دما توسط دماسنج اندازه گرفته می‌شود. اساس کار دماسنج‌ها بر مبنای کمیتی به نام متغیر دماسنجی است. این کمیت در برابر تغییر دما تغییر خواهد کرد. رابطه بین دما و متغیر دماسنجی ممکن است مستقیم یا برعکس باشد. همچنین این رابطه ‌با استفاده از چندجمله‌ای‌ها یا تابع توانی تعیین خواهد شد. در هر صورت، متغیر دماسنجی اندازه گرفته می‌شود. هیچ راهی برای اندازه‌گیری مستقیم دما وجود ندارد. در جدول زیر انواع دماسنج‌‌ها و متغیر‌های دماسنجی مربوط به هر کدام را ملاحظه می‌کنید.

دماسنج متغیر دماسنجی
دماسنج مایع حجم
دماسنج گازی فشار
دماسنج بی‌متال (دو فلزی) سیم‌پیچ
دماسنج با مقاومت الکتریکی مقاومت
ترموکوپل ولتاژ

پس از مشخص کردن متغیر دماسنجی، گام بعدی انتخاب مقیاس دمایی است. اندازه‌گیری دما بدون انتخاب مقیاس مناسب معنایی ندارد. ما در دماسنج نیاز به داشتن نقاط ثابت داریم. این نقاط ثابت براساس آزمایش‌های تکرارپذیر در دمای مشخص انتخاب می‌شوند. در واقع در هر دماسنجی حداقل به دو نقطه ثابت و محدوده تعریف شده‌ای از اعداد نیاز است.

تاریخچه دماسنج

نخستین دماسنج‌ مایع توسط سه دانشمند در قرن 17 میلادی ساخته شد.

  1. «سانکتوریوس سانکوتوریوس» (Sanctorius Sanctorius)
  2. «گالیله» (Galileo Galilei)
  3. «جیووانی فرانسیسکو ساگردو» (Giovanni Francesco Sagredo)

هر سه دانشمند، دماسنج مایع را ساختند. این دماسنج از مخزن شیشه‌ای متصل به لوله شیشه‌ای باریک ساخته شده است. مایع، درون مخزن شیشه‌ای قرار گرفته است. به هنگام افزایش دما، مایع درون شیشه منبسط می‌شود و از لوله شیشه‌ای بالا می‌رود. همچین به هنگام کاهش دما، مایع منقبض خواهد شد و ارتفاع آن در لوله باریک، کاهش می‌یابد. از این‌رو ارتفاع لوله باریک (ستون)‌ به صورت خطی با دما ارتباط دارد.

دماسنج مایع

گالیله بر روی دماسنج مقیاسی قرار نداد، بنابراین به وسیله‌ ساخته شده توسط او به جای دماسنج، ترموسکوپ می‌گویند. در واقع به وسیله ترموسکوپ تغییرات دما اندازه‌گیری می‌شود. بعدها، سانکتوریوس هوای داخل شیشه ترموسکوپ را مقیاس‌بندی کرد. اما هوای داخل شیشه به تغییرات فشار و دما حساس است. «ساگردو» دماسنج خود را با الهام از تقسیم کلاسیکی دایره به ۳۶۰ قسمت تقسیم کرد. بنابراین بعد از ساگردو به واحد اندازی‌گیری دما درجه گفته می‌شود.

ساگردو
تصویری از جیووانی فرانسیسکو ساگردو

تعیین نقاط ثابت دماسنج

«رابرت هوک» «Robert Hooke» نخستین کسی بود که از نقطه انجماد آب برای تعیین نقطه ثابت پایینِ دماسنج استفاده کرد. اوله رومر «Ole Romer» مقدارهای $$7.5^o$$ و $$60^o$$ را به ترتیب برای نقطه انجماد و نقطه جوش آب انتخاب کرد. براساس این مقیاس، دمای بدن انسان برابر $$22.5^o$$ خواهد بود.

مقیاس های دما

پس از آشنایی با مفهوم دما چیست در ادامه مقیاس‌های دما معرفی می‌شوند.

مقیاس دمای فارنهایت

فارنهایت یکی از مقیاس‌های دمایی است که از قرن ۱۸ میلادی تاکنون استفاده می‌شود. این مقیاس توسط دنیل گابریل فارنهایت «Daniel Gabriel FahrenheitK» اختراع شد. این دانشمند متولدِ آلمان هنگامی که ۱۵ ساله بود والدینش را به دلیل مسمومیت با قارچ سمی از دست داد.

فارنهایت

فارنهایت در سن ۲۸ سالگی با ساخت دو دماسنج که دماهای یکسانی را نشان می‌دادند، جوامع علمی را شگفت‌زده کرد. نکته شگفت‌انگیز آن است که در آن تاریخ همه از این اختراع به وجد آمده بودند ولی فکر ساختن این وسیله به ذهن هیچ‌کس خطور نکرده بود.

ساگردو به هنگام درجه‌بندی 360 درجه‌ای دماسنج، عدد $$0^o$$ را به مخلوط نمک و برف، $$100^o$$ به برف و $$360^o$$ را به گرم‌ترین روز تابستان اختصاص داد. نخستین دماسنج‌ها در شمال ایتالیا ساخته شدند. نقاط ثابت بالا و پایین این دماسنج‌ها براساس آزمایش‌های تکرارناپذیر انتخاب شدند. در نتیجه، دمای نشان داده شده توسط دماسنجی که در سال 1650 ساخته شد نسبت به دمای اندازه‌گیری شده توسط دماسنج ساخته شده در سال 1651 متفاوت بود. همچنین، دماسنج‌هایی که در دو شهر مختلف ایتالیا ساخته شده بودند نتایج متفاوتی را نشان می‌دادند.

فارنهایت سه نقطه ثابت را در نظر گرفت. پس از مرگ فارنهایت، تعداد این نقاط ثابت از سه نقطه به دو نقطه کاهش یافت. نقطه انجماد آب و نقطه جوش آب به ترتیب در نقطه‌های $$32^o F$$ و $$212^o F$$ ثابت ماند. تفاضل این دو نقطه برابر 180 درجه است، بنابراین دماسنج به ۱۸۰ درجه تقسیم شد.

کار با این عدد کمی سخت به نظر می‌رسد. تقسیم‌بندی فاصله‌ها به نصف یا یک‌سوم به نظر مناسب است. ذکر این نکته مهم است که کار با عدد یک‌پنجم نیز چالش برانگیز خواهد بود. مقسوم‌علیه‌های عدد ۹۶ برابر 2، 2، ۲، 2 و ۳ هستند که عدد ۵ در بین آن‌ها دیده نمی شود. برای عدد 180 مقسوم‌علیه‌های آن برابر 2، 2، 3، 3 و ۵ هستند که عدد ۵ یک بار در میان آنها تکرار شده است. همچنین عدد 100 دو مقسوم‌علیه ۵ دارد.

دماسنج براساس درجه‌بندی فارنهایت

مقیاس دمای سلسیوس

درجه سلسیوس واحد اندازه‌گیری دما در مقیاس سلسیوس است و به طور معمول با عنوان درجه سانتی‌گراد شناخته می‌شود. ذکر این نکته مهم است که در این مقیاس فاصله بین نقاط ثابت مرجع (0 و 100) به ۱۰۰ درجه تقسیم شده است. از سال 1743 به بعد نقطه $$0^o$$ مربوط به نقطه انجماد آب و نقطه $$100^o$$ برای نقطه جوش آب در فشار جو در نظر گرفته شده‌اند.

تفاوت مقیاس سلسیوس و فارنهایت

همان‌گونه که در مطالب بالا ذکر شد مقیاس سلسیوس یا سانتی‌گراد مقیاسس دمایی است که در آن نقطه انجماد آب در $$0^o$$ و نقطه جوش آب در $$100^o$$ قرار دارند. جدول زیر تفاوت‌های اصلی مقیاس سلسیوس و مقیاس فارنهایت را نشان می‌دهد.

معیار تفاوت مقیاس سلسیوس مقیاس فارنهایت
تعریف مقیاس سلسیوس براساس نقطه انجماد آب در $$0 °C$$ و نقطه جوش آب در $$100 °C$$ است. مقیاس فارنهایت براساس نقطه انجماد آب در $$32 °F$$ و نقطه جوش آب در $$212 °F$$ است.
علامت مقیاس سلسیوس با $$°C$$ نشان داده می‌شود. مقیاس فارنهایت با $$°F$$ نشان داده می‌شود.
معرفی شده توسط آندرس سلسیوس دنیل گابریل فارنهایت
نقطه انجماد آب نقطه انجماد آب یا نقطه ذوب یخ در مقیاس سلسیوس برابر $$0 °C$$ است (نقطه ثابت پایین). نقطه انجماد آب یا نقطه ذوب یخ در مقیاس فارنهایت برابر $$32 °F$$ است (نقطه ثابت پایین).
نقطه جوش آب نقطه جوش آب در مقیاس سلسیوس برابر $$100 °C$$ است (نقطه ثابت بالا). نقطه جوش آب در مقیاس فارنهایت برابر $$212 °F$$ است (نقطه ثابت بالا).
دمای متوسط بدن انسان دمای متوسط بدن انسان در مقیاس سلسیوس برابر $$37 °C$$ است دمای متوسط بدن انسان در مقیاس فارنهایت برابر $$98.6 °F$$ است
صفر مطلق صفر مطلق در مقیاس سلسیوس برابر $$-237 °C$$ است صفر مطلق در مقیاس فارنهایت برابر $$–459.67 °F$$ است
تقسیم‌بندی فاصله بین نقاط انجماد و جوش آب در مقیاس سلسیوس به 100 قسمت مساوی تقسیم شده است. هر قسمت برابر $$1 °C$$ است. فاصله بین نقاط انجماد و جوش آب در مقیاس فارنهایت به 1۸0 قسمت مساوی تقسیم شده است. هر قسمت برابر $$1 °F$$ است.
موارد استفاده مقیاس سلسیوس به طور گسترده در تمامی قسمت‌های جهان استفاده می‌شود. مقیاس فارنهایت اغلب در ایالات متحده آمریکا و بعضی از کشور‌های دیگر استفاده می‌شود.
تبدیل درجه سلسیوس با استفاده از فرمول زیر به درجه فارنهایت تبدیل می‌شود:

$$(T_{^{\circ}\text{F}}=\frac{9}{5}T_{^{\circ}\text{C}}+32)
$$

درجه فارنهایت با استفاده از فرمول زیر به درجه سلسیوس تبدیل می‌شود:

$$T_{^{\circ}\text{C}}=({^{\circ}\text{F}}-32) \times \frac{5}{9}$$

مقیای دمای مطلق

در مقیاس دمای مطلق، خواندن عدد صفر با دمای صفر مطلقِ تئوری یکسان است.

واحد اندازه‌گیری دمای ترمودینامیکی در SI کلوین است. از سال 2019 به بعد این واحد به گونه‌ای تعریف می‌شود که ثابت بولتزمن برابر $$1.380649 × 10^{−23}$$ ژول بر کلوین باشد. بسیاری از قوانین فیزیکی و فرمول‌ها به هنگام استفاده از مقیاس دمای مطلق بسیار ساده‌تر بیان می‌شوند. تفاوت بین نقاط جوش و انجماد آب در دو مقیاس سلسیوس و کلوین برابر ۱۰۰ درجه است. بنابراین درجه کلوین با درجه سلیوس برابر است.

با توجه به اهمیت مفهوم دما چیست و مقیاس‌های اندازه‌گیری آن، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش فیزیک پایه دهم کرده که لینک آن در ادامه آورده شده است.

تبدیل دما

تاکنون با مفهوم دما چیست آشنا شدیم و مقیاس‌های دمایی را یاد گرفتیم. در ادامه تبدیل دما از یک مقیاس به مقیاس دیگر توضیح داده می‌شود.

در واحدهای دمایی مقدار صفر در نقاط ثابت یکسانی قرار ندارد. بنابراین به هنگام تبدیل دما از یک مقیاس به مقیاس دیگر باید دقت کافی داشته باشیم. در ابتدا برای تبدیل دما از یک مقیاس به مقیاس دیگر صفرهای دو مقیاس تراز می‌شوند. در تصویر نشان داده شده در ادامه مقیاس‌های دمایی با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

مقایسه مقیاس‌های دمایی

آسان‌ترین تبدیل دمایی از کلوین به درجه سلسیوس خواهد بود. اندازه دو واحد یکسان و فاصله دمایی یک کلوین برابر با یک درجه سلسیوس است. دمای صفر مطلق در مقیاس کلوین برابر $$0 \ K$$ و در مقیاس سلسیوس برابر $$-273.15 \ ^o C$$ است. بنابراین برای تبدیل بین این دو مقیاس عدد $$-273 \ ^o C$$ نیاز خواهد بود. در ادامه تبدیل بین این دو مقیاس به زبان ریاضی نشان داده می‌شود:

تبدیل کلوین به سلسیوس

$$ ^o C \leftarrow K \\ T[ ^o C] = \frac{1 \ ^o C}{1 \ K}T[k] – 273.15 \ ^o C \\ ^o C = K – 273.15$$

تبدیل سلیوس به کلوین

$$ K \leftarrow \ ^o C \\ T[ K ] = \frac{1 \ K }{1 \ ^o C}T[ ^o C] – 273.15 \ K \\ ^o C = K + 273.15$$

تبدیل بین دو مقیاس سلسیوس و فارنهایت در جدول فوق بیان شده است.

مثال تبدیل دما

دمای اتاق به طور کلی عدد $$25 \ ^o C$$ تعریف می‌شود. مطلوب است:

۱. دمای اتاق بر حسب درجه فارنهایت.

۲. دمای اتاق بر حسب کلوین.

پاسخ:

قسمت (۱): به منظور تبدیل درجه سلسیوس به درجه فارنهایت از معادله $$T_{^{\circ}\text{F}} = \frac{9}{5}\ T_ {^{ \circ}\text{C}} + 32$$ استفاده می‌کنیم. با قرار دادن دما بر حسب سلسیوس در این معادله داریم:

$$ T_{^{\circ}\text{F}}=\frac{9}{5}\ \times25{^{\circ}\text{C}}+32=77 \ ^{\circ}\text{F}\\$$

قسمت (۲): به منظور تبدیل درجه سلسیوس به درجه کلوین از معادله زیر استفاده می‌کنیم:

$$T‌_K = T\ _{ºC} + 273.15$$

با قرار دادن مقدار دما به سلسیوس در معادله بالا داریم:

$$T_K = 25\ ºC + 273.15 = 298 \ K.$$

محدوده دمایی در انسان و جهان

تصویر ترموگرام زیر دمای نقاط مختلف بدن انسان را نشان می‌دهد. دمای بدن انسان‌ها برای زنده ماندن نباید از محدوده $$24 \ ^oC$$ تا $$44 \ ^oC$$ خارج شود. دمای متوسط بدن انسان به طور معمول عدد ۳۷ درجه سلسیوس است و تغییرات این دما به دلایل پزشکی رخ خواهد داد.

گستره دمایی

کمترین دماهای اندازه‌گیری شده در حین انجام آزمایش مربوط به موسسه MIT ($$4.5 \times 10 ^{-10} \ K$$) و دانشگاه هلسینکی MIT ($$1.0 \times 10 ^{-10} \ K$$) بوده است. سردترین نقطه زمین دارای دمای 183 کلوین و سردترین نقطه جهان در نبولا با دمای یک کلوین است.

ترموگرام چیست ؟

ترموگرافی مادون قرمز، ویدئوی حرارتی یا تصویربرداری حرارتی روندی است که در آن دوربین حرارتی از جسمی با استفاده از اشعه مادون قرمز تابیده شده از آن، تصویر تهیه می‌کند. بر طبق قانون تابش جسم سیاه، همه اجسام با دمای بالاتر از دمای صفر مطلق اشعه مادون قرمز ساطع می‌کنند. با افزایش دمای جسم، تابش اشعه مادون قرمز افزایش خواهد یافت. بنابراین، با استفاده از ترموگرافی می‌توان این تغییرات دمایی را ثبت کرد. در تصاویر ثبت شده توسط دوربین‌های حرارتی، اجسام با دمای بالاتر در محدوده رنگ قرمز دیده می‌شوند.

تعادل گرمایی و قانون صفرم ترمودینامیک

بر طبق قانون صفرم ترمودینامیک اگر دو جسم A و B با جسم سوم C در تعادل گرمایی باشند آن‌گاه دو جسم ‌A و B نیز با یکدیگر در تعادل گرمایی هستند. در تعادل گرمایی هنگامی که دو جسم در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند و پس از مدتی توسط مانعِ قابل نفوذ در برابر گرما از یکدیگر جدا شوند، هیچ انتقال گرمایی بین آن‌ها وجود نخواهد داشت. به بیان ساده سه جسم A، B و C دمای یکسانی دارند. کلرک ماکسول «Clerk Maxwell» عبارت فوق را به صورت جمله ساده زیر بیان کرد:

نوع گرمای هر سه جسم یکسان است.

قانون صفرم ترمودینامیک

مطابق با قانون صفرم ترمودینامیک دما ویژگی بنیادی و قابل اندازه‌گیری ماده است.

تاریخچه

در ابتدا قوانین ترمودینامیک شامل سه قانون اصلی به صورت زیر بود:

  1. قانون اول ترمودینامیک یا قانون پایستگی انرژی بیان می‌کند که انرژی نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود بلکه شکل آن تغییر می‌کند.
  2. قانون دوم ترمودینامیک یا قانون افزایش آنتروپی بیان می‌کند که با گذشت زمان بی‌نظمی یا آنتروپی سیستم همیشه افزایش خواهد یافت.
  3. بر طبق قانون سوم ترمودینامیک بی‌نظمی یا آنتروپی ماده‌ای با ساختار کریستالی کامل، صفر خواهد بود. اما اگر ساختار ماده کوچک‌ترین نقصی داشته باشد، مقدار آنتروپی غیر صفر خواهد بود.

در اوایل قرن ۱۸ میلادی دانشمندان فهمیدند که به منظور تکمیل قوانین ترمودینامیک، قانون دیگری نیاز است. این قانون جدید که بیان‌گر تعریف رسمی دما بود باید به عنوان قانون اول بیان می‌شد. از آنجایی که از انتشار سه قانون اول در مقاله‌ها و کتاب‌های مختلف سال‌ها می‌گذشت، بنابراین شماره‌گذاری دوباره آن‌ها موجب به وجود آمدن دردسرهای زیادی می‌شد. همچنین، قرار دادن این قانون به عنوان قانون چهارم ترمودینامیک، سه قانون اول را بی‌اعتبار می‌کرد.

دانشمندی به نام رالف فولر «Ralph Fowler» برای حل این مشکل، قانون جدید را قانون صفرم ترمودینامیک نامید. دیوید مک‌کی «David McKee» استاد فیزیک دانشگاه میسوری در مورد قانون صفرم ترمودینامیک می‌گوید:

میزان انرژی دو سیستم مهم نیست. با دانستن میزان انرژی دو سیستم نمی‌توانم جهت جریان گرما را پیش‌بینی کنم. در قانون صفرم ترمودینامیک، دما جهت انتقال گرما را تعریف می‌کند. همچنین بر طبق این قانون، دما به میزان انرژی دو سیستم بستگی ندارد. برای دانستن جهت انتقال گرما بین دو جسم، دانستن دمای دو سیستم کافی خواهد بود.

معرفی فیلم آموزش فیزیک پایه دهم

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم

مجموعه فرادرس در تولید و محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک پایه دهم برای دانش‌آموزان مقطع دهم کرده که این مجموعه آموزشی از پنج درس تشکیل شده است.

در درس یکم مبحث اندازه‌گیری تدریس می‌شود. در این درس دانش‌آموز با انواع وسیله‌های اندازه‌گیری و خطاهای آن‌ها آشنا خواهد شد. در ادامه مبحث‌ کمیت‌های فیزیکی و و دستگاه بین‌المللی یکاها تدریس خواهد شد. در درس دوم حالت‌های ماده، ویژگی‌های فیزیکی مواد در مقیاس نانو، نیروهای بین مولکولی، فشار در شاره‌ها، فشار و اصل ارشمیدس و شاره در حرکت و اصل برنولی آموزش داده می‌شود.

مباحث مربوط به کار انجام شده توسط نیروی ثابت، کار و انرژی جنبشی، کار و انرژی پتانسیل و پایستگی انرژی پتانسیل در درس سوم آموزش داده می‌شود. دانش‌آموز در درس چهارم با مفهوم دما و گرما و تفاوت این دو آشنا خواهد شد. بنابراین، به منظور آشنایی بیشتر با مفهوم دما چیست، دیدن درس چهارم این فیلم آموزشی توصیه می‌شود. در پایان، در درس‌ پنجم مباحث مربوط به ترمودیناک تدریس می‌شود.

اکنون می‌توانیم به خوبی به پرسش دما چیست پاسخ دهیم. در ادامه با انواع دماسنج‌ها و کاربردهای آن‌ها آشنا خواهیم شد.

انواع دماسنج

همان‌گونه که در توضیحات بالا گفته شد دماسنج نوعی وسیله اندازه‌گیری است که برای تعیین دمای بدن یا جسم از آن استفاده می‌کنیم. دماسنج‌ها بر اساس مقیاس اندازه‌گیری درجه‌بندی شده‌اند. همچنین بخش اصلی دماسنج، ماده دماسنجی است. این ماده در دماهای بالا یا پایین واکنش نشان می‌دهد.

جنس ماده دماسنجی به نوع دماسنج بستگی خواهد داشت. در ادامه انواع دماسنج‌ها و کاربردهای آن‌ها توضیح داده می‌شود.

دماسنج جیوه ای

در دماسنج جیوه‌ای از جیوه به عنوان ماده دماسنجی استفاده شده است. جیوه پس از تماس با جسم داغ منبسط می‌شود و در لوله باریک دماسنج به سمت بالا حرکت می‌کند. در پایان، جیوه در نقطه مشخصی متوقف خواهد شد. این نقطه دمای جسم داغ را نشان می‌دهد.

ذکر این نکته مهم است که مکان جیوه پس از کاهش دما تغییری نخواهد کرد. برای تغییر مکان جیوه و برگرداندن آن به مکان اولیه‌اش باید دماسنج را به شدت تکان دهیم. پس از برگشت جیوه به مکان اصلی می‌توانیم دمای جسم جدید را اندازه‌‌گیری کنیم.

دماسنج جیوه‌ای

به طور معمول از دماسنج جیوه‌ای برای اندازه‌گیری دمای بدن به هنگام تب استفاده می‌کنیم.

دماسنج الکلی

دماسنج الکلی شبیه دماسنج جیوه‌ای است. الکل‌ها در مقایسه با جیوه، نسبت به دما حساس‌تر هستند. بنابراین تغییرات حجم الکل به هنگام خواندن دماهای مختلف به وضوح دیده می‌شود. همچنین، استفاده از دماسنج الکلی در مقایسه با دماسنج جیوه‌ای امن‌تر است. با این دماسنج، بیشتر دماهای پایین را اندازه‌ می‌گیرند.

دماسنج الکلی

دماسنج دو‌ فلزی

در این دماسنج مکانیکی از ویژگی‌های دو فلز با ضریب انبساط‌های متفاوت استفاده می‌شود. به هنگام تغییر دما، دو فلز منبسط و از جایگاه خود منحرف می‌شوند. پس از خمیدگی دو فلز، سوزن درون دماسنج حرکت می‌کند و دمای اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد. از این دماسنج برای اندازه‌گیری دمای ترموستات‌ها و فرها استفاده می‌کنند.

دماسنج دو فلزی

دماسنج دیجیتالی

از دماسنج دیجیتالی برای اندازه‌گیری دمای بدن استفاده می‌شود. برای اندازه‌گیری دما به طور معمول این دماسنج را داخل دهان یا زیر بغل قرار می‌دهند. در این دماسنج از حسگر الکترونیکی برای تشخیص دما استفاده شده است.

دماسنج دیجیتال

دماسنج مادون قرمز

به هنگام اندازه‌گیری دمای جسمی مشخص یا قسمتی از بدن، بدون لمس کردن جسم یا آن قسمت از بدن، از دماسنج مادون قرمز استفاده می‌شود. این دماسنج با دریافت تشعشع گرمایی ساطع شده از اجسام، دمای آن‌ها را اندازه می‌گیرد. استفاده از این دماسنج پس از همه‌گیری بیماری کرونا بسیار رایج شده است.

دماسنج مادون قرمز

دماسنج میله ای

در این دماسنج سنسور مخروطی شکلی به وسیله سیم بلندی به دماسنج وصل شده است. از این سنسور برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌شود. از این دماسنج به طور معمول در سیستم سلامت، آزمایشگاه‌ها و صنایع غذایی استفاده می‌شود.

دماسنج میله‌ای

دماسنج دیواری

این دماسنج همان‌گونه که از اسم آن مشخص است بر روی دیوار نصب خواهد شد. جنس این دماسنج از چوب است و از آن برای اندازه‌گیری دمای اتاق استفاده می‌شود. مخزن این دماسنج از جیوه یا الکل پر شده است.

wall-thermometer

دماسنج مقاومتی

طرز کار این دماسنج براساس تغییرات مقاومتِ رسانا به دلیل تغییرات دمایی است. در این دماسنج از مولفه‌های الکترونیکی با دقت بالا استفاده شده است. از این دماسنج برای اندازه‌گیری دمای لوله‌های سوخت گاز در صنعت استفاده می‌شود.

دماسنج مقاومتی

دماسنج رطوبتی

دماسنج رطوبتی میزان رطوبت داخل اتاق را اندازه‌گیری می‌کند. این دماسنج مجهز به سنسور الکترونیکی است که در زمان مشخصی دمای اتاق را اندازه می‌گیرد. بنابراین، مقدار دمای این دماسنج بر حسب تغییرات رطوبت اتاق تغییر می‌کند.

دماسنج رطوبتی

جمع‌بندی

در این مطلب با مفهوم دما چیست آشنا شدیم و تفاوت دو مفهوم دما و گرما را یاد گرفتیم:

گرما: صورتی از انرژی است که از جسمی به جسم دیگر با دماهای متفاوت انتقال می‌یابد.

دما: اندازه‌گیری انرژی جنبشی متوسط مولکول‌های تکیِ سازنده جسم است.

در ادامه با سه مقیاس اصلی اندازه‌گیری دما به نام‌های کلوین، سلسیوس و فارنهایت و روش‌های اندازه‌گیری دما آشنا شدیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۳ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مهدیه یوسفی» دانش‌آموخته مقطع دکتری نانوفناوری است. از جمله مباحث مورد علاقه او فیزیک، نانوفناوری و نقاشی است. او در حال حاضر، در زمینه آموزش‌های فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.