ترمومتر چیست و به چه منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد؟

نگاه اجمالی

ترمومتر که با نام دماسنج نیز شناخته می‌شود، وسیله‌ای است که از آن برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنیم. ساده‌ترین ترمومتر، ترمومتر جیوه‌ای است که از لوله نازکی که دارای مخزن کوچکی می‌باشد، تشکیل شده است. درون مخزن از جیوه پُر شده است و تغییر دما باعث بالا رفتن و پایین آمدن جیوه در ترمومتر شده و به کمک آن، دمای جسم تعیین می‌شود. ارتفاع جیوه، کمیتی است که در ترمومتر جیوه‌ای موجب سنجش دما می‌شود. این کمیت با نام کمیت دماسنجی شناخته می‌شود.

اهمیت استفاده از ترمومتر (دماسنج)

احساس عادی ما از دما به صورت صفاتی نظیر سرد، گرم، داغ، خنک، معتدل و غیره که در توصیف اجسام به کار می‌روند، بیان می‌شود. مفاهیم داغ و سرد برای انسان، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را میلیاردها عصبی که به سطح پوست می‌رسند، به مغز خبر می‌دهند. وقتی جسمی را لمس می‌کنیم، به آن دمایی نسبت می‌دهیم که معرف گرم یا سردبودن جسم است. هر چه جسم داغ‌تر احساس شود، دمای آن بالاتر است. اما پاسخ فیزیولوژی به دما، اغلب گمراه‌کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با یک اتوی بسیار داغ سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک. در هر دو حالت، احساس یکسانی پدید می‌آید زیرا هر دو عیناً پاسخ فیزیولوژی به آسیبی هستند که به بافت رسیده است.

بنابراین نیاز به ابزاری داریم که بتواند دمای جسم را به صورت کمّی و دقیق اندازه بگیرد. به این وسیله ترمومتر یا دماسنج می‌گویم.

خطای حس لامسه در تعیین دما با انجام یک آزمایش ساده

دو ظرف یکسان انتخاب کرده، در یکی آب گرم و در دیگری آب سرد بریزید. یک دست خود را در آب گرم و دست دیگر را در آب سرد فرو ببرید. حال هر دو دست را در آب نیمه‌گرم وارد کنید. احساس شما چیست؟ قطعاً دستی که ابتدا در آب گرم بوده است، آب نیمه‌گرم را سردتر و دست دیگر آن را گرم‌تر احساس خواهد کرد. بنابراین با این آزمایش ساده می‌توان نتیجه گرفت که قضاوت ما در مورد دما می‌تواند نسبتاً گمراه‌کننده باشد. علاوه‌بر این، گستره‌ی حسی دمایی ما محدود است و ما به یک معیار معین و عددی برای تعیین دما نیاز داریم.

دما چیست و واحدهای دماسنجی کدامند؟

درجه سردی و گرمی جسم را دما می‌گویند. دما کمیتی نسبی و مقایسه‌ای است، زیرا امکان دارد دمای جسمی نسبت به جسم دیگر سرد و در عین حال نسبت به جسم دیگری گرم باشد. بعضی از واحدهای دما عبارتند از سلسیوس، فارنهایت، کلوین، رانکین و … که جهت تبدیل این واحدها به یکدیگر، از فرمول‌های زیر استفاده می‌شود:

تبدیل فارنهایت به سلسیوس:

تبدیل سلسیوس به کلوین:

تبدیل سلسیوس به فارنهایت:

تبدیل کلوین به رانکین:

تاریخچه ترمومتر

ترمومتر یا دماسنج چیست؟

ترمومتر (Thermometer) وسیله‎ای است که دما یا گرادیان دما را اندازه می‌گیرد. کلمه ترمومتر از دو کلمه کوچکتر ساخته شده است. Thermo کلمه‌ای یونانی به معنای گرما و meter نیز کلمه‌ای یونانی و به معنای اندازه‌گیری می‌باشد. دماسنج دو قسمت مهم دارد:

الف- سنسور دما (مثل مخزن جیوه در ترمومتر جیوه‌ای) که با تغییر دما، تغییر فیزیکی می‌کند.

ب- وسایلی که این تغییرات فیزیکی را به یک مقدار تبدیل می‌کنند. (مثل درجه‌بندی در ترمومتر جیوه‌ای)

چه کسی ترمومتر (دماسنج) را اختراع کرد؟

نویسندگان مختلف، اختراع دماسنج را به ابو علی سینا، کورنلیوس دربل، روبرت فلاد، گالیله یا سانتوریو نسبت می‌دهند. اما ترمومتر تنها یک اختراع نبود. ترمومتر (دماسنج) نیز مانند بسیاری از اختراعات دیگر، حاصل تلاش گروهی از دانشمندان می‌باشد که توسط بسیاری از افراد دیگر، توسعه یافته است.

در قرن 11 میلادی، ابو علی سینا دانشمند ایرانی، وسیله‌ای ساخت که در آن، سطح آب درون یک لوله به وسیله‌ی انبساط و انقباض هوا کنترل می‌شد و به وسیله آن سردی و گرمی هوا مشخص می‌گردید.

اغلب اما گالیله را به‌عنوان مخترع ترمومتر می‌شناسند. در سال 1596، گالیله وسیله‌ای ساخت که از انقباض هوا برای بالا رفتن آب در یک لوله استفاده می‌کرد.

هر چند وسیله‌ای را که او اختراع کرد نمی‌توان دقیقاً دماسنج نامید. ترمومتر (دماسنج) وسیله‌ای است که دما را می‌سنجد. وسیله‌ای که گالیله اختراع نمود، صرفاً تغییرات دما را نشان می‌داد. به‌طور صحیح باید این وسیله را ترموسکوپ نامید.

ترموسکوپ چیست؟

ترموسکوپ، جد ترمومتر و بدون مقیاس است. این وسیله تنها تغییرات دما را نشان می‌دهد. یعنی فقط نشان می‌دهد که دما بالاتر، پایین‌تر یا همان مقدار قبلی است. برخلاف دماسنج، این وسیله نمی‌تواند تغییرات دما را اندازه بگیرد و همچنین نمی‌تواند نتایج را برای مراجعات بعدی ثبت نماید. تفاوت بین ترموسکوپ و ترمومتر در این است که ترمومتر درجه دارد. ترموسکوپ به‌طور گسترده توسط یک گروه از دانشمندان ونیزی که گالیله نیز جزء آنان بود، استفاده شد. فاصله بین ترموسکوپ تا ترمومتر، تنها یک گام کوچک بود.

در اوایل سال 1612، سانتوریوی ایتالیایی، برای یک ترموسکوپ هوا، مقیاسی به کار برد. بنابراین گمان می‌رود که مخترع ترمومتر (دماسنج) به عنوان وسیله‌ای برای سنجش دما، او باشد. وسیله سانتوریو، یک ترمومتر هوا بود. دقت این وسیله کم بود زیرا در آن زمان تاثیرات تغییر فشار هوا بر روی دما، شناخته نشده بود. سانتوریو از دماسنج در پزشکی استفاده نمود.

وسایل فوق این مشکل را داشتند که تغییرات فشار نیز بر روی آن‌ها تاثیرگذار بود.

اولین ترمومتر مایع در شیشه آب‌بندی شده

ترمومتر مایع در شیشه‌ی آب‌بندی شده که شبیه به دماسنج های امروزی است، اولین بار در سال 1654 توسط فردیناند دوم، دوک بزرگ توسکانی (یکی از استان‌های 20گانه ایتالیا) ساخته شد. او از لوله آب‌بندی شده‌ای استفاده نمود که با الکل پُر شده بود. این دماسنج به انبساط مایع وابسته و به فشار هوا غیروابسته بود.

هر چند ساخت این ترمومتر پیشرفت قابل ملاحظه‌ای بود، اما این ترمومتر غیردقیق بود و در آن از مقیاس استاندارد شده‌ای استفاده نشده بود.

اولین ترمومتر جیوه‌ای

در سال 1714، دانیل گابریل فارنهایت هلندی، اولین نفری بود که با استفاده از جیوه، یک ترمومتر جیوه‌ای ساخت. انبساط قابل پیش‌بینی‌تر جیوه با تکنیک‌های بهبودیافته شیشه‌سازی ترکیب شده و موجب شد تا ترمومترهای دقیق‌تری ساخته شوند.

اولین ترمومتر طبی

در سال 1866 سر توماس کلیفورد آلبوت یک دماسنج کلینیکی اختراع نمود که دمای بدن را ظرف 5 دقیقه نشان می‌داد. اختراع او خیلی مورد استقبال قرار گرفت زیرا قبل از آن، بیماران مجبور بودند یک ترمومتر 30 سانتی‌متری را به مدت 20 دقیقه درون دستان خود نگه‌دارند تا دمای بدن آن‌ها به‌صورت قابل قبولی مشخص شود.

اولین مقیاس استاندارد ترمومتر

فارنهایت که یک کارخانه ساخت دماسنج داشت، در ترمومترهای خود از نقاط ثابت جدیدا کشف شده (به‌عنوان اولین مقیاس دمایی استاندارد) استفاده نمود. فارنهایت فاصله بین نقاط انجماد و جوش آب را به 180 قسمت تقسیم نمود. او نقطه انجماد آب را 32 قرار داد. به این ترتیب این درجه‌بندی در دما‌های پایین‌تری که او در آن زمان در کارگاه خود ایجاد می‌کرد (مخلوط یخ، نمک و آب) نیز به زیر صفر نمی‌رفت. مقیاس فارنهایت، امروزه نیز استفاده می شود. کیفیت این محصولات سبب به وجود آمدن درجه‌بندی ریزتر و قابلیت تولید بالاتر شد. در نتیجه ترمومتر های فارنهایت، با اقبال عمومی مواجه شدند.

تاریخچه‌ی مقیاس‌های دما

مقیاس رومر (Reaumur)

در سال 1731، یک مرد فرانسوی به نام رنه آنتونی رومر، یک مقیاس برا ترمومتر (دماسنج) پیشنهاد داد که در آن نقطه انجماد آب 0 و نقطه‌جوش آب 80 بود. امروزه دیگر از مقیاس رومر استفاده نمی‌شود.

مقیاس سلسیوس (Celsius)

در سال 1742، یک دانشمند سوئدی به نام آندره سلسیوس مقیاس ترمومتری پیشنهاد داد که در آن، فاصله بین نقاط انجماد و جوش آب به 100 قسمت تقسیم می‌شود. سلسیوس عدد 0 را برای نقطه‌ی جوش آب و عدد 100 را برای نقطه انجماد آب در نظر گرفت. یک سال بعد، شخصی فرانسوی به نام جین پیر کریستین، مقیاس سلسیوس را بر عکس نمود تا مقیاس سانتیگراد را ایجاد نماید که امروزه نیز استفاده می‌شود. (نقطه انجماد آب 0 و نقطه جوش آب 100). در یک توافق بین‌المللی در سال 1948، مقیاس انطباق‌یافته کریستین به نام سلسیوس شناخته شد و امروزه نیز این مقیاس استفاده می‌شود.

مقیاس دمای مطلق یا مقیاس کلوین

در سال 1848، سر ویلیام تامسون، بارون کلوین از لاجرز و لرد کلوین از اسکاتلند، مقیاس دمای مطلق را پیشنهاد دادند که در آن صفر، برابر است با کمترین دمای ممکن از نظر تئوری که در آن، حرکت مولکولی متوقف می‌شود. کلوین به گونه‌ای تعریف شد که 1 درجه کلوین برابر با 1 درجه سلسیوس است. در حال حاضر، درجه کلوین، واحد استاندارد سنجش دما می‌باشد.

مقیاس دمای رانکین

این مقیاس در سال 1859 توسط فیزیکدانی اسکاتلندی به نام ویلیام جان رانکین پیشنهاد شد. همانند مقیاس کلوین، در این مقیاس نیز، صفر همان صفر مطلق است با این تفاوت که هر درجه رانکین، برابر با درجه فارنهایت است. دمای Fء°459/67- برابر با Rء°0 است.

 ترموکوپل چیست؟

مزیت ترموکوپل در این است که به خاطر جرم کوچک، خیلی سریع با سیستمی که اندازه‌گیری دمای آن مورد نظر است، به حال تعادل گرمایی در می‌آید.

ازجمله این دسته از دماسنج ها میتوان به ترموکوپل – تیپ K شرکت فرانسوی آلا اشاره کرد که در رنج دمایی 50- درجه‌ی سانتیگراد تا 1300 درجه‌ی سانتیگراد توانایی کار دارد.