فرادرسدماسنج چیست و چطور کار می کند؟ — انواع دماسنج | به زبان ساده
در این مطلب در مورد دماسنج و ویژگی‌های آن خواهیم آموخت. بدین منظور ابتدا در مورد دما و نحوه کار دماسنج مطالبی بیان می‌شود و سپس انواع دماسنجها و نحوه ساخت یک دماسنج را بررسی می‌کنیم. اگر به تاریخچه و نحوه کار دماسنج علاقه‌مند هستید خواندن این مطلب را از دست ندهید.
دما چیست؟
دما معیار اندازهگیری میزان گرم یا سرد بودن یک جسم است. به طور خاص دما عبارت است از اندازهگیری میانگین انرژی جنبشی ذرات موجود در یک جسم که نوعی انرژی همراه با حرکت نیز است.
اما یک جسم چه قدر گرم و چه قدر سرد است؟ اصطلاحات گرم و سرد زیاد اصطلاحات علمی نیستند. اگر واقعاً می‌خواهیم میزان گرم یا سرد بودن چیزی را مشخص کنیم باید از دما استفاده کنیم. به عنوان مثال، آهن ذوب شده چه قدر گرم است؟ برای پاسخ به این سوال یک دانشمند فیزیکی دمای فلز مایع را اندازهگیری میکند. استفاده از واژه دما به جای کلماتی مانند گرم یا سرد سردرگمی بابت این کمیت را کاهش می‌دهد.
دماسنج چیست؟
دماسنج ابزاری برای اندازهگیری دمای یک سیستم است. اندازهگیری دما برای طیف وسیعی از فعالیت‌ها از جمله تولید، تحقیقات علمی و اقدامات پزشکی مهم و تاثیر گذار است.
دماسنج چگونه کار میکند؟
دماسنجها بر اساس تغییرات دما کار می کنند. در دماسنجهای مایع تغییرات حجم مایع درون دماسنج نشان دهنده میزان تغییرات دما است و بدین ترتیب میتوان دما را اندازهگیری کرد و خواند.
چه کسی دماسنج را کشف کرد؟
به طور کلی اختراع دماسنج به ریاضیدان-فیزیکدان ایتالیایی گالیله نسبت داده می‌شود. در وسیله‌ای که او در سال 1592 ساخت تغییر درجه حرارت ظرف شیشه‌ای وارونه باعث ایجاد انبساط یا انقباض هوای درون آن شد که به نوبه خود سطح مایعی که در ظرف شیشه‌ای قرار گرفته بود را تغییر داد.
این اصل و روش کلی در سال‌های بعد با آزمایش مایعاتی مانند جیوه و ارائه مقیاسی برای اندازهگیری انبساط و انقباض ایجاد شده در چنین مایعاتی با افزایش و کاهش دما کامل شد.
در اوایل قرن هجدهم حدود 35 مقیاس مختلف دما ابداع شده بود. دانیل گابریل فارنهایت فیزیکدان آلمانی، در سال‌های 1700 تا ۱۷۳۰ دماسنجهای جیوه‌ای دقیق را با درجه بندی استاندارد کالیبره و مقیاس‌بندی کرد که از 32 درجه یعنی نقطه ذوب یخ تا 96 درجه برای دمای بدن متغیر بود.
واحد دما (درجه) در مقیاس دمای فارنهایت $$\frac{1}{180}$$ تفاوت بین نقاط جوش (212 درجه) و انجماد آب است. اولین مقیاس سانتیگراد (ساخته شده از 100 درجه) به ستاره شناس سوئدی آندرس سلسیوس نسبت داده می‌شود كه آن را در سال 1742 توسعه داد.
سانتیگراد از 0 درجه برای نقطه جوش آب و 100 درجه برای نقطه ذوب برف استفاده كرد. با این حال بعداً این حالت معکوس شد تا 0 درجه در انتهای سرد و 100 درجه در انتهای گرم قرار گیرد و این واحد به شکل گسترده‌ای کاربرد پیدا کرد.
این پارامتر به سادگی به عنوان مقیاس سانتیگراد شناخته می‌شد تا اینکه در سال 1948 این نام به مقیاس دمای سانتیگراد تغییر یافت. در سال 1848، ویلیام تامسون (که بعدها لقب لرد کلوین را گرفت) فیزیکدان بریتانیایی سیستمی را پیشنهاد داد که از درجه سانتیگراد استفاده می‌کرد اما نقطه شروع آن در صفر مطلق ($$-273.15$$ درجه سلسیوس) قرار داشت. واحد این مقیاس اکنون به عنوان کلوین شناخته می‌شود.
همچنین مقیاس رانکین از درجه فارنهایت استفاده میکند که نقطه شروع آن نیز در صفر مطلق یعنی $$-45.67$$ درجه فارنهایت است.
انواع دماسنجها چه هستند؟
از انواع دماسنجها میتوان به دماسنجهای مایع، دماسنجهای الکترونیکی، دماسنجهای پزشکی، کرایومتر، پیرومتر و دماسنجهای مادون قرمز اشاره کرد. در ادامه این مطلب با انواع دماسنجها و کاربرد هر یک از این دماسنجها آشنا می‌شویم.
دماسنج مایع
یک مایع زمانی که گرم می‌شود با سرعتی منظم و قابل اندازهگیری منبسط نیز می‌شود. به همین دلیل فرم متداول دماسنج حاوی مایعی در یک لوله شیشه‌ای باریک است. جیوه یکی از آشناترین مواد مورد استفاده در دماسنجهای مایع است. مایعات دیگری مانند نفت سفید یا اتانول نیز ممکن است در این نوع دماسنجها استفاده شوند.
وقتی گرما بالا می‌رود مایع از یک کاسه یا حباب به سمت قسمت خالی منبسط می‌شود و از لوله بالا می‌رود. با کاهش دما، مایع منقبض شده و دوباره پایین می‌رود. دماسنجهای مایع اغلب شامل هر دو مقیاس درجه سانتیگراد و فارنهایت هستند که در دو طرف لوله نمایش داده می‌شوند.
دماسنج حداکثری، نوعی دماسنج مایع شناخته شده است. در یک دماسنج حداکثری با افزایش دما مایع در لوله شیشه‌ای بالا می‌رود، اما با کاهش دما نمی‌تواند به راحتی به سمت پایین سقوط کند. حداکثر دما را در یک بازه زمانی مشخص میتوان پس از حذف دماسنج از محیط مشاهده کرد. برای اندازه گیری دمای بدن فرد معمولاً از دماسنج حداکثری استفاده می‌شود.
دماسنجهای مایع با توجه به مایع‌هایی که در آن‌ها به کار می‌رود دارای محدودیت هستند. به عنوان مثال جیوه در دمای $$-38.83$$ درجه سانتیگراد ($$-37.89$$ درجه فارنهایت) منجمد می‌شود. این موضوع بدین معنی است که دماسنجهای جیوه‌ای نمی‌توانند دمای زیر این نقطه را اندازهگیری کنند. الکل‌ها مانند اتانول در دمای 78 درجه سانتیگراد (172 درجه فارنهایت) می‌جوشند و بدین ترتیب نمی‌توان از این مایع برای اندازه گیری دمای بالاتر از این نقطه استفاده کرد.
| مایع به کار رفته در دماسنج | حد دمایی برحسب سلسیوس |
| جیوه | $$-35\ to\ +510$$ |
| الکل | $$-80\ to\ +70$$ |
| پنتان | $$-200\ to\ +30$$ |
| تولوئن | $$-80\ to\ +100$$ |
| کریوزوت | $$-5\ to\ +200$$ |
دماسنج الکترونیکی
از جیوه و سایر دماسنجهای مایع نمی‌توان برای اندازه گیری دما در واحد کلوین استفاده کرد. دماسنجهای بر حسب کلوین معمولاً دستگاه‌های الکتریکی هستند که می‌توانند تغییرات بسیار کم در تابش را ثبت کنند. این تغییرات قابل مشاهده نیستند و ممکن است فشار هوا را برای افزایش سطح جیوه در یک دماسنج مایع تغییر ندهند.
دماسنجهای الکترونیکی با ابزاری به نام ترمیستور کار می‌کنند. ترمیستور بر اساس دما مقاومت خود را در برابر جریان الکتریکی تغییر می‌دهد. یک ابزار الکترونیکی مقاومت ترمیستور را اندازه گیری میکند و آن را به قرائت دما تبدیل میکند.
دماسنجهای پزشکی
این دماسنجها را تب سنج می‌گوییم که اساس کار آن‌ها نیز تغییرات دمای بدن است. انواع تب سنج‌ها را می توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:
- دماسنجهای دهانی که زیر زبان قرار می‌گیرند.
دماسنجهای مقعدی یا رکتوم که درون رکتوم قرار می‌گیرند.
دماسنجهای چند منظوره که می‌توانند زیر زبان، درون رکتوم یا زیر بغل قرار بگیرند.
دماسنجهای گوش که داخل گوش قرار می‌گیرند.
دماسنجهای پایه که دماسنجهای بسیار حساسی که برای اندازهگیری تغییرات جزئی دما در زیر زبان یا در رکتوم قرار می‌گیرند و نشان می‌دهد تخمک گذاری در یک زن اتفاق افتاده است یا خیر.
دماسنجهای دیگر
امروزه از دماسنجهای مخصوص برای اهداف مختلفی استفاده می‌شود. برای مثال یک کرایومتر می‌تواند دمای بسیار پایین را اندازهگیری کند. از کرایومترها برای اندازه گیری دما در فضا استفاده می‌شود. از پیرومترها برای اندازه گیری دمای بسیار بالا استفاده می‌شود. صنعت فولاد از پیرومترها برای اندازهگیری دمای آهن و سایر فلزات استفاده میکند.
همچنین ستاره شناسان از دماسنجهای مادون قرمز برای اندازهگیری درجه حرارت در فضا استفاده می‌کنند. دماسنجهای مادون قرمز تشعشع مادون قرمز را در فواصل زیاد تشخیص داده و آن را با دمای سطح خاص مرتبط می‌کنند.
در سال 1965 یک دماسنج مادون قرمز، تابشی را با دمای 3 کلوین ($$-270$$ درجه سانتیگراد / $$-454$$ درجه فارنهایت) در تمام جهات فضا تشخیص داد. ستاره شناسان استنباط می‌کنند که این تابش بسیار سرد احتمالاً بازمانده ضعیفی از بیگ بنگ است. گسترش جهان از یک نقطه واحد که تقریباً $$13.82$$ میلیارد سال رخ داده شروع شده است و به آن بیگ بنگ می‌گویند.
مربیان ورزشی برای جلوگیری و درمان بیماری‌های مرتبط با گرما مانند گرمازدگی از دماسنج‌هایی شبیه به قرص استفاده می‌کنند. دماسنجهای قرص مانند پس از بلعیدن، اطلاعات مربوط به دمای هسته بدن را به مدت 18 تا 30 ساعت انتقال می‌دهند. دماسنجهای قرصی از بلورهای مایع برای ردیابی تغییرات گرمای بدن و انتقال امواج رادیویی به منبع خارج از بدن استفاده می‌کنند که این داده‌ها را ضبط و نمایش می‌دهد.
محققان دانشگاه هاروارد یک نانو گرماسنج ساخته‌اند که قادر است تغییرات دما را در داخل یک سلول زنده اندازهگیری کند. محققان با استفاده از یک نانوسیم به نام سوزن، نانوکریستال‌های کربن را به داخل سلول تزریق می‌کنند. طول این بلورها کمتر از 5 نانومتر است (یک ورق کاغذ 100,000 نانومتر ضخامت دارد) و نوسانات دما را به طرز باورنکردنی و دقیقی تشخیص می‌دهد.
دانشمندان اکنون در حال توسعه فناوری‌های نانوکریستال هستند که می‌تواند دمای سلول را تغییر دهد. این فناوری‌ها ممکن است در نهایت در درمان‌های پزشکی که نیاز به گرماهای بیش از حد زیاد و از بین بردن سلول‌های سرطانی دارد مورد استفاده قرار گیرد.
چگونه دماسنج بسازیم؟
دماسنجهای حباب‌دار دماسنجهای شیشه‌ای رایجی هستند که احتمالاً با آن زیاد سر و کار داشته‌اید. این دماسنجها حاوی نوعی مایع به نام جیوه است.
دماسنجهای حبابی به این اصل ساده متکی هستند که مایعی حجم خود را نسبت به دمای آن تغییر می‌دهد. مایعات در هنگام سرما فضای کمتری را اشغال می‌کنند و در هنگام گرما فضای بیشتری را اشغال می‌کنند. همین اصل برای گازها نیز صدق میکند و اساس کار بالون هوای گرم است.
شما احتمالاً هر روز با مایعات کار می‌کنید اما ممکن است متوجه نشوید که چیزهایی مانند آب، شیر و روغن پخت و پز همگی با تغییر درجه حرارت فضای کم یا زیاد را اشغال می‌کنند. در این موارد تغییر حجم نسبتاً ناچیز است. تمام دماسنجهای حبابی از یک حباب نسبتاً بزرگ و یک لوله باریک برای تأکید بر تغییر حجم استفاده می‌کنند. آنچه برای ساخت این دماسنج نیاز دارید به صورت زیر است:
- شیشه یا بطری شیشه‌ای با درپوش محکم آن. درب این شیشه باید از نوع پیچ دار باشد و از فلز یا پلاستیک ساخته شده باشد. جنس شیشه‌ای برای این مهم است که محفظه شما تحت فشار تغییر شکل ندهد.
- مته یا چکش و میخ بزرگ
- مقداری بتونه که می‌تواند بتونه لوله‌کشی، گچ یا آدامس باشد.
- نی نوشابه با حدود 23 سانتی‌متر (8 یا 10 اینچ) طول. نی هرچه نازک‌تر و ترجیحاً شفاف تر باشد، بهتر است.
- رنگ‌های خوراکی
ساخت دماسنج
درب شیشه را سوراخ یا دریل کنید. قطر سوراخ بر روی درب باید نزدیک به قطر نی باشد.
انتهای نی را درون سوراخ قرار دهید و سپس با بتونه داخل و خارج درب را در اطراف سوراخ ببندید. وقتی کارتان تمام شد باید شکلی شبیه به تصویر زیر به دست بیاید:
شیشه را با آب سرد پر کنید. شما می‌توانید این کار را با پر کردن شیشه از آب و گذاشتن آن در یخچال به مدت یک شب انجام دهید یا با تهیه مقداری آب یخ در یک پارچ و سپس ریختن آب یخ در ظرف خود انجام دهید و در صورت تمایل رنگ خوراکی را نیز اضافه کنید و آن را تکان دهید. شیشه را روی میز بگذارید تا ثابت بماند. شیشه را باید کاملاً از آب پر کنید اما شیشه نباید از آب سرریز شود.
دربی که ساخته‌اید را روی شیشه پر از مایع قرار دهید و آن را سفت کیند. در این حالت ممکن است مقداری از مایع درون شیشه از کناره‌ها بیرون بریزد و کمی آب نیز در نی بالا بیاید و دیده شود که این موضوع اشکالی ندارد.
دریچه سینک ظرفشویی را ببندید و تا نصف سینک ظرفشویی را از آب داغ پر کنید. سطح مایعات موجود در نی را علامت بزنید و شیشه را در آب داغ داخل سینک قرار دهید. در این حالت خواهید دید که یک اتفاق رخ می‌دهد و سطح آب داخل نی بالاتر می‌رود. در حقیقت با گرم شدن آب درون شیشه، مایع منبسط می‌شود و این انبساط به صورت بالا رفتن سطح مایع در داخل نی مشاهده می‌شود. این اتفاقی است که روزمره در زندگی ما رخ می‌دهد اما چون حجم انبساط کم است متوجه آن نمی‌شویم. در اینجا و زمانی که انبساط را به یک نی باریک هدایت کرده‌ایم، می‌توانیم توسعه و گسترش حجم مایع را به صورت کاملاً عملی مشاهده کنیم و در واقع می‌توانیم شاهد وقوع آن باشیم.
آنچه شما ساخته‌اید یک دماسنج حبابی ساده است و به خوبی کار میکند. اما سوال این است که چگونه می‌توانید آن را درجه‌بندی کنید. در ادامه مشکلات ترمومتر یا دماسنجی که ساخته‌اید را بررسی می‌کنیم.
از آنجا که در اینجا مایع کار آب است نمی‌تواند دمای زیر 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) را اندازهگیری کند، زیرا کمتر از این دما آب منجمد می‌شود. همچنین نمی‌تواند دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد(212 درجه فارنهایت) را اندازه گیری کند زیرا آب جوش می‌آورد.
از آنجا که محفظه مایع نیز بسیار بزرگ است مدت زیادی طول می‌کشد تا دماسنج به همان دمای جسمی که اندازه گیری میکند برسد و این زمان می‌تواند در حدود یک ساعت باشد. از طرف دیگر از آنجا که قسمت بالای لوله باز است آب می‌تواند تبخیر شود و یا گرد و غبار در داخل نی جمع شود.
جیوه در دماسنج شیشه‌ای کوچک این مشکلات را برطرف میکند. اندازه کوچک حباب آن به این معنی است که حباب خیلی سریع به دمای محیط خود می‌رسد و لوله در چنین دماسنجی بسیار ریز است. جیوه همچنین مشکلات یخ زدگی و جوشیدن شبیه به آب را نیز ندارد.
اینک سوالی که مطرح می‌شود این است که چگونه می‌توانید دماسنج خود را کالیبره کنید؟ در دماسنجها از دو مقیاس معمول استفاده می‌شود که مقیاس فارنهایت و مقیاس سلسیوس هستند.
مقیاس فارنهایت
دانیل فارنهایت خودسرانه تصمیم گرفت كه نقاط انجماد و جوش آب با 180 درجه از هم جدا شود و آب یخ زده را در نشانه ۳۲ زیر صفر مشخص كرد. بنابراین او یک دماسنج ساخت، آن را در آب منجمد فرو برد و سطح جیوه روی شیشه را 32 درجه نامید. سپس همان دماسنج را در آب در حال جوش قرار داد و سطح جیوه را 212 درجه علامت‌گذاری کرد. سپس 180 علامت با فاصله مساوی بین این دو نقطه قرار داد.
مقیاس سانتیگراد
آندرس سلسیوس خودسرانه تصمیم گرفت که نقاط انجماد و جوش آب با 100 درجه از هم جدا شود و او نقطه انجماد آب را در 100 درجه مشخص کرد با این حال مقیاس وی بعداً معکوس شد و بنابراین نقطه جوش آب 100 درجه و نقطه انجماد 0 درجه شد.
همانطور که مشاهده می‌کنید، مقیاس‌های دمایی که معمولاً استفاده می‌کنیم کاملاً دلخواه هستند و اگر بخواهید می‌توانید مقیاس خود را ارائه دهید. نقاط انجماد و جوش آب خوب است زیرا به راحتی به دست می‌آیند اما هر چیز دیگری را نیز می‌توانید به عنوان مقیاس استفاده کنید.
نحوه استفاده از دماسنج جیوه‌ای
قبل از قرار دادن دماسنج در دهان‌تان نباید به مدت 10 دقیقه در دهان شما ماده‌ای گرم یا سرد باشد.
- دماسنج را از محفظه آن خارج کنید.
- دماسنج را از سمت مقابل سر رنگی (قرمز، آبی یا نقره‌ای) نگه دارید.
- دماسنج را با صابون و آب گرم یا الکل تمیز کنید و با آب خنک آب کشی کنید.
- دماسنج را در دست خود بچرخانید تا خط قرمز، آبی یا نقره ای را ببینید. خط باید کمتر از 35٫6 درجه سانتیگراد (96 درجه فارنهایت) باشد. اگر خط بیش از 35٫6 درجه سانتیگراد (96 درجه فارنهایت) است، دماسنج را چندین بار محکم به سمت پایین تکان دهید.
- دوباره دماسنج را بررسی کنید تا مطمئن شوید کمتر از 35٫6 درجه سانتیگراد (96 درجه فارنهایت) است.
- دهان خود را باز کنید و انتهای رنگی دماسنج را که قرمز، آبی یا نقره‌ای رنگ است را زیر زبان قرار دهید.
- لب‌های خود را به آرامی دور دماسنج ببندید و آن را گاز نگیرید.
- دماسنج را به مدت 3 دقیقه زیر زبان خود نگه دارید.
- دماسنج را بدون دست زدن به نوک رنگی آن بردارید.
- دماسنج را به آرامی با دستمال تمیز کنید.
- دماسنج را در سطح چشم خود نگه دارید.
- دماسنج را به آرامی بچرخانید تا خط قرمز، آبی یا نقره‌ای رنگ را ببینید. هر علامت طولانی روی دماسنج یک درجه و علامت‌های کوتاه ۰٫۲ درجه است.
- مجدداً دماسنج را با صابون و آب گرم بشویید. از آب گرم استفاده نکنید زیرا ممکن است دماسنج را بشکند.
جمع بندی
در این مطلب در مورد دماسنج و طرز کار آن صحبت کردیم. بدین منظور در ابتدا دما را توضیح دادیم و سپس در مورد انواع دماسنجها، تاریخچه آن‌ها و روش کارشان توضیحاتی ارائه دادیم. در نهایت روش ساخت یک دماسنج مایع و ساده را آموزش دادیم.
