بخشی از مقاله
دما
دما یک اندازه گیری کمی از درجه حرارت یک جسم است که کاملا معنای ذهنی دارد. اما برای ارائه تعریف کمی دما باید به اثراتی از جسم توجه شود که مستقل از احساس ما از سردی و گرمی آن باشد و شامل کمیات قابل اندازه گیری نیز بشود.
مقدمه
تا به حال با سه کمیت اساسی طول ، زمان و جرم سر و کار داشته‌ایم. کلیه کمیات دیگر مکانیکی نظیر نیرو ، انرژی و اندازه حرکت را برحسب این سه کمیت تعریف می‌کنند. حال پدیده‌های جدیدی را که پدیده‌های دمایی یا گرمایی نامیده می‌شوند، مورد بحث قرار می‌دهیم. لذا باید کمیت چهارمی به نام دما تعریف شود.
احساس عادی ما از دما به صورت صفاتی نظیر سرما ، گرما ، داغ ، خنک ، معتدل و غیره که در توصیف اجسام بکار می‌روند، بیان می‌شود. وقتی جسمی را لمس میکنیم، به آن دمایی نسبت می‌دهیم که معرف گرم یا سرد بودن جسم است. هر چه جسم داغ‌تر احساس شود، دمای آن بالاتر است. ما می‌توانیم جسم با دمای بالا و جسم با دمای کم را تعریف کنیم:
جسم با دمای بالا جسمی است که درجه حرارت آن در اثر تماس طولانی با جسم دیگر کاهش می‌یابد، که در این حالت جسم با دمای کم تعریف می‌شود.
جسم دماسنجس و ویژگی دماسنجی
درجه حرارت یک جسم بوسیله برخی مشخصه‌های ماده جسم تعیین می‌گردد که آن نیز به درجه حرارت وابسته است. می‌توان دستگاههای متعددی را یافت که برخی خواص آنها با سردی و گرمی دستگاه تغییر کند. مثلا :
جیوه یا الکل موجود در مخزنی که به لوله باریکی ضمیمه شده باشد، نمونه‌ای از این دستگاهها است. کمیت مهمی که وضع دستگاه را در این زمینه مشخص می‌کند، طول ستون مایع در لوله (L) است. هر چه مایع موجود در مخزن گرمتر شود، L زیادتر می‌شود.
گازی با حجم ثابت که در درون جبابی قرار دارد، نمونه دیگری از این دستگاهها است (دماسنج گازی). فشار P گاز که با یک فشار سنج اندازه گرفته می‌شود، با گرم و سرد شدن گاز ، زیاد یا کم می‌شود.
سیمی با مقاومت الکتریکی R ، نمونه سومی از این دستگاههاست (دماسنج مقاومتی). چرا که با گرم و سرد شدن ، اندازه مقاومت R زیاد یا کم می‌شود.
در هر یک دستگاههای مذکور ، کمیت متغیر طول L و فشار P و مقاومت R را مشخصه حالت دستگاه می‌نامند.
از این رو اندازه گیری درجه حرارت به اندازه گیری یک ویژگی مشخص از جسم که با درجه حرارت تغییر می‌کند، تقلیل می‌یابد.
جسمی که برای اندازه گیری درجه حرارت انتخاب می‌شود، « جسم دماسنجی » نامیده می‌شود. در حالی‌که کمیت بکار برده شده برای تعیین درجه حرارت ، « ویژگی دماسنجی » نامیده می‌شود..
مخفف: T
سرواژه عبارت: Temperature
کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.
یکای این کمیت در سیستم متریک درجه کلوین میباشد. سایر واحدهای این کمیت عبارت‌اند از:
• درجه سلسیوس (درجه سانتیگراد)
• درجه فارنهایت
درجه (رانکین) نیز واحدی برای اندازه گیری دما است. 2 واحد سانتی گراد و فارنهایت دمای نسبی و 2واحد کلوین و رانکین دمای مطلق میباشند.در واقع کلوین همان صفر مطلق در سیستم متریک میباشد .
برخی از دماهای مهم
موضوع دما بر حسب سانتیگراد
1 نقطه‌ی جوش هیدروژن مایع 235-
2 نقطه‌ی جوش اکسیژن مایع 183-
3 نقطه‌ی انجماد الکل 115-
4 نقطه‌ی انجماد جیوه 39-
5 نقطه‌ی ذوب یخ 0
6 دمای بدن انسان سالم 37
7 نقطه‌ی جوش الکل 79
8 نقطه‌ی جوش آب 100
9 نقطه‌ی جوش جیوه 357
10 نقطه‌ی ذوب طلا 1067
11 دمای هسته‌ی زمین 3700
12 دمای سطح خورشید 5700
دمای یک سیستم ویژگی است که تعیین می‌کند آیا یک سیستم با سیستم‌های دیگر در تعادل گرمایی قرار دارد یا خیر.
دید کلی
مفاهیم داغ و سرد برای انسان ، مانند هر موجود زنده دیگر ذاتی است و دمای محیط مجاور را بیلیونها عصبی که به سطح پوسته می‌رسند، به مغز خبر میدهند. اما پاسخ فیزیولوژیکی به دما اغلب گمراه کننده است و کسی که چشمش بسته است نمی‌تواند بگوید که آیا دستش با اتوی بسیار داغ ، سوخته یا به وسیله یک تکه یخ خشک شده است. در هر دو حالت احساسی پدید می‌آید، زیرا هر دو عینا پاسخ فیزیولوژیکی به آسیبی هستند که به نسج رسیده است.
یک آزمایش ساده
دو ظرف یکسان انتخاب کرده ، در یکی آب گرم و در دیگری آب سرد بریزید. حال یک دست خود را در آب گرم و دست دیگر را در آب سرد فرو برید. حال هر دو دست را در آب نیمگرم وارد کنید. احساس شما چیست؟
قطعا دستی که ابتدا در آب گرم بوده است، آب نیمگرم 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 نسبتا گمراه کننده باشد. علاوه بر این گستره حس دمایی ما محدود است و ما به یک معیار معین و عددی برای تعیین دما نیاز داریم.
دماسنجهای اولیه
نخستین وسیله واقعی علمی برای اندازه گیری دما در سال 1592 توسط گالیله اختراع شد. وی برای این منظور یک بطری شیشه‌ای گردن‌باریک انتخاب کرده بود. بطری با آب رنگین تا نیمه پر شده و وارونه در یک ظرف محتوی آب رنگین قرار گرفته بود. با تغییر دما ، هوای محتوی شکم بطری منبسط یا منقبض می‌شد و ستون آب در گردن بطری بالا یا پایین می‌رفت. در این وسیله ، گالیله توجه نداشت که مقیاس برای سنجش دما بکار ببرد، بطوری که وسیله وی ، بیشتر جنبه دما نما داشت تا جنبه دماسنج.
در سال 1635 ، فردیناند توسکانی ، که به علوم علاقه‌مند بود، دماسنجی ساخت که درآن از الکل استفاده کرد و سر لوله را چنان محکم بست که الکل نتواند تبخیر شود. سرانجام ، در سال 1640 ، دانشمندان آکادمی لینچی ، در ایتالیا ، نمونه‌ای از دماسنجهای جدیدی را ساختند که در آن جیوه به کار برده و هوا را دست کم تا حدودی ، از قسمت بالای لوله بسته خارج کرده بودند.
توجه به این نکته جالب است که در حدود نیم قرن طول کشید تا دماسنج کاملا تکامل یافت و حال آنکه میان کشف امواج الکترومغناطیسی و ساختن نخستین تلگراف بی‌سیم ، یا میان کشف اورانیوم و نخستین بمب اتمی چند سالی بیشتر طول نکشید.
اندازه گیری دما
برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات xy را به عنوان استاندارد که ما آن را دماسنج می‌نامیم، انتخاب میکنیم و مجموعه قواعدی را برای نسبت دادن یک مقدار عددی به دمای وابسته به هر کدام از منحنیهای همدمای آن ، اختیار میکنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم.
قوانین گازها
همان وقت که اسحاق نیوتن در کمبریج درباره نور و جاذبه می‌اندیشید، یک نفر انگلیسی دیگر به نام رابرت بویل ، در آکسفورد سرگرم مطالعه در باب خواص مکانیکی و تراکم‌پذیری هوا و سایر گازها بود. بویل که خبر اختراع گلوله سربی اوتوفون گریکه را شنیده بود، طرح خویش را تکمیل کرد و دست به کار آزمایشهایی برای اندازه گیری حجم هوا در فشار کم و زیاد شد.
نتیجه کارهای وی چیزی است که اکنون به قانون بویل-ماریوت معروف است و بیان می‌کند که حجم مقدار معینی از هر گاز در دمای معین با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود، بطور معکوس متناسب است با فشاری که بر آن گاز وارد می‌شود.
حدود یک قرن بعد ، ژوزف گیلوساک فرانسوی ، در ضمن مطالعه انبساط گازها ، قانون مهم دیگری پیدا کرد که بیان آن این است: فشار هر گاز محتوی در حجم معین به ازای هر یک درجه سانتیگراد افزایش دما ، به اندازه 273/1 حجم اولیه‌اش افزایش می‌یابد. همین قانون را یک فرانسوی دیگر به نام ژاک شارل ، دو سال پیش از آن کشف کرده بود و از این رو اغلب آن را قانون شارل-گیلوساک می‌نامند. این دو قانون مبنای ساخت دماسنجهای گازی قرار گرفت.
