ديد کلي

اندازه گيري دما يکي از مهمترين مسائل چه در زندگي روزمره و چه در علوم است. بخاطر همين اهميت در طول تاريخ روشهاي مختلفي براي اندازه گيري دما ابداع شده است و به علت وجود نارسائيهايي در آنها همواره به تکامل آن اهتمام ورزيده شده است. در اينجا مي‌خواهيم در مورد انواع يکاهاي‌دما ، نارسائيهاي آن و فرم تکامل يافته امروزي آنها بحث کنيم. مسير تحولي و رشد در تمام وسايلي که در سده 18 براي اندازه گيري دما طراحي شد، در واقع اندازه گيريها عبارت بودند از پيدا کردن طول ستون آب - الکل و يا جيوه.
بديهي است که مي‌شد دو دماسنج يکسان ساخت و آنها را طوري تنظيم کرد که همواره قرائتهاي يکسان داشته باشند، اما اين دماسنجها فقط در گستره دمايي محدودي کار مي‌کردند. مايعي که با آن دماسنج را پر مي‌کردند يخ مي‌بست يا به جوش مي‌آمد. با چنين دماسنجهايي نمي‌توانستند دماهاي خيلي بالا يا خيلي پايين را اندازه بگيرند. از طرفي رابطه ميان درجات بين دماسنجها متفاوت بود پس نخستت لازم بود نقطه‌هاي مرجع ، يعني شرايط متناظر با نقاط انتخابي معين روي مقياس دماسنج ، مانند مبدا مقياس ، انتخاب شوند. دوم آن که ضريبي براي درجه که به انتخاب دما بستگي نداشته باشد و بتوان براي بازسازي مقياس در هر زمان و در هر نقطه از زمين ، استفاده کرد.
چگونه مي‌توان دما را به طرز دقيقتر تعيين کرد، تا اينجا هنوز بدون پاسخ مانده است. اگر دما کميتي فيزيکي است بايد روشي براي تعيين آن وجود داشته باشد، روشي که حداقل در اصل مستقل از ماده‌اي باشد که در طراحي دماسنج بکار رفته است. اين مساله بعد از ابداع ترموديناميک حل شد. راه حل را در سال 1227/1848، رودلف ژوليوس امانوئل کلوزيوس ، با بهره گيري از نظريه کارنو درباره گرما پيدا کرد.

اندازه گيري دما

بسياري خواص فيزيکي سنجش پذير وجود دارند که همچنانکه ادراک فيزيولوژيکي ما از دما تغيير مي‌کند، آنها هم تغيير مي‌کنند. از جمله اين خواص مي‌توان از حجم يک مايع ، طول يک ميله ، فشار يک گاز در حجم ثابت ، حجم يک گاز در فشار ثابت ، مقاومت الکتريکي يک سيم نام برد. هر يک از اين خواص را مي‌توان در ساختن يک دماسنج ، يعني به وجود آوردن يک مقياس "خصوصي دما" بکار برد. پس ابتدا بايد يک ماده دماسنجي بخصوص با يک خاصيت دماسنجي خاصي از اين ماده انتخاب کنيم.
سپس اين مقياس دمايي را توسط يک رابطه فرضي يکنوا و پيوسته بين خاصيت دماسنجي انتخاب شده و دماي اندازه گيري شده با مقياس خصوصي ، تعريف کنيم. بايد توجه کنيم که هر نوع انتخاب ماده و خاصيت دماسنجي ، همراه با رابطه‌هاي مفروض بين خاصيت و دما ، منجر به يک خاصيت دمايي خاص مي‌شود که اندازه گيريهاي آن الزاما با اندازه گيريهاي حاصل از هر مقياس دمايي ديگري که مستقلا تعريف شده است، توافق نخواهد داشت. فرض کنيم ماده دماسنجي را انتخاب کرده باشيم، خاصيتي از اين ماده را که مي‌خواهيم از آن در تدوين مقياس دمايي استفاده کنيم بالا نشان مي‌دهيم. به دلخواه ، يک تابع خطي از ، X را به عنوان دماي دماسنج مورد نظر و هر سيستمي که با آن در تعادل گرمايي است انتخاب مي‌کنيم:
T(X) = ax
در اين رابطه a مقدار ثابتي است که بايد آنرا تعيين کنيم. با انتخاب اين مشکل خطي براي (T(X ، آنرا طوري ترتيب داده‌ايم که اختلاف دماهاي مساوي يا بازه‌هاي دمايي مساوي ، متناظر با تغييرات مساوي در X باشند. به اين معني که مثلا هر گاه طول ستون جيوه در لوله دماسنج جيوه‌اي به اندازه يک واحد تغيير کند، دما نيز به اندازه ثابت و معيني تغيير خواهد کرد و فرقي نمي کند که دماي شروع کار چه باشد. پس نسبت در دماي اندازه گيري شده توسط يک دماسنج ، مساوي با نسبت X هاي متناظر آنهاست. يعني: T(X1)/T(X2) = X1/X2

تعيين ثابت دماسنجي

براي تعيين ثابت a و در نتيجه درجه بندي کردن دماسنج ، نقطه استاندارد ثابتي را مشخص مي‌کنيم که در آن تمام دماسنجها براي دماي T مقدار يکساني را نشان بدهند اين نقطه ثابت را نقطه سه گانه آب انتخاب مي‌کنيم که در آن يخ ، آب و بخار آب باهم در حال تعادل هستند. اين حالت فقط در فشار معيني حاصل مي شود و يگانه است. فشار بخار آب در نقطه سه گانه 4.58 ميليمتر جيوه است. دما در اين نقطه ثابت استاندارد ، به دلخواه مساوي با 273.16 درجه کلوين اختيار شده است که در ابتدا به صورت K273.16? نوشته مي‌شد. بعدا نام کلوين (با نماد K) جاي درجه کلوين (با نماد K?) را گرفت.

واحد دماي ترموديناميکي

کلوين واحد دماي ترموديناميکي است. کلوين يعني واحد دماي ترموديناميکي عبارت است از: 273.16/1 دماي ترموديناميکي نقطه سه گانه آب.

دماسنجهاي گوناگون را بسازيم؟

اگر مقادير مربوط به نقطه سه گانه را با شاخص tr مشخص کنيم، در مورد هر دماسنجي داريم:
T(X)/T(XXtr)=X/XXtr
که براي تمام دماسنجها T(XXtr) = 273.16K است و در نتيجه:
T(X) = 273.16K X/TXtr
پس هر گاه مقدار خاصيت دماسنجي X باشد، با قرار دادن مقدار X و Xtr در سمت راست معادله فوق ، دماي (T(X در مقياس خاصي که انتخاب کرده‌ايم، برحسب K بدست مي‌آيد. در مورد يک گاز با فشار ثابت ، X متناظر است با V يعني حجم گاز و:
(P ثابت 273.16V/VXtr = T(V
در مورد يک گاز با حجم ثابت X متناظر با P، يعني فشار گاز؛
(V ثابت 273.16K P/PXtr = T(P
در يک دماسنج مقاومتي پلاتيني ، X همان R يعني مقاومت الکتريکي است.
T(R) = 273.16K R/RXtr

دماسنج استاندارد

دماسنجهايي که در مورد آنها صحبت کرديم همه در نقطه ثابت استاندارد يعني سه گانه آب باهم توافق دارند، ولي مشکل آنجاست که آزمايش نشان مي‌دهد که دماسنجها دماي يک سيستم معين را با مقادير متفاوتي نشان مي‌دهند. حتي هنگامي که دماسنجهايي از يک نوع ، مثلا دماسنجهاي گازي ولي با گازهاي متفاوت بکار برده مي‌شوند باز هم مقادير متفاوتي را براي يک سيستم اندازه گيري مي‌کنند.
بنابراين، براي داشتن يک مقياس دمايي قطعي بايد يک دماسنج استاندارد انتخاب کرد. اين انتخاب بر پايه تسهيلات تجربي صورت نمي گيرد، بلکه با تحقيق اين نکته به عمل مي ايد که مقياس دمايي تعريف نشده به وسيله يک دماسنج بخصوص، تا چه حد مي تواند در فرمول بندي قوانين فيزيک مفيد باشد. کوچکترين اختلالها در مقاديري مشاهده مي‌شود که توسط دماسنجهاي مختلف "گاز با حجم ثابت" خوانده شده اند، و اين ما را بر آن مي‌دارد که يک گاز را به عنوان ماده استاندارد دماسنجي انتخاب کنيم.
هر چه فشار گاز را کم کنيم، اختلاف مقادير خوانده شده توسط دماسنجهايي که در آنها از گازهاي متفاوت استفاده شده است نيز کلاهش مي يابد. پس دماسنج گازي با حجم ثابت معيار خوبي خواهد بود.

مقياس دمايي سيلسيوس

در مقياس دمايي سيلسيوس ، از يکاي "درجه سيلسيوس" (با علامت C?) استفاده مي‌شود. در اين مقياس نقطه سه گانه آب (طبق تعريف مساوي با 237.16K) مطابق است با C 0.01?. نقطه پاييني در مقياس سيلسيوس دمايي است که در آن يخ و آب اشباع شده از هوا در فشار جو باهم در تعادلند و نقطه ذوب يخ ناميده مي‌شود. که 0.00 درجه سيلسيوس است و دمايي که در آن بخار و آب در فشار يک اتمسفر در حال تعادلند و نقطه بخار ناميده مي‌شود و 100,00 درجه سسلسيوس است. بين اين دو نقطه به صد قسمت مساوي تقسيم مي‌شود که هر يک ، يک درجه سيلسيوس با يک درجه سانتيگراد نام دارد. اگر Tc دماي سيلسيوس باشد، معادله Tc =T - 273.15 ارتباط دماي سيلسيوس (Tc(?C را با دماي کلوين (T(K بيان مي‌کند.

مقياس دماي فارنهايت

در درجه بندي فارنهايت مايع دماسنجي جيوه اختيار مي‌شود. نقطه پاييني دماي مخلوط يخ و نشادر و حد بالاي آن دماي بدن انسان سالم اختيار مي‌شود و آن را عدد 96 در نظر مي‌گيرند و از صفر تا 96 را به 96 قسمت مساوي تقسيم مي‌کنند و هر يک ، يک درجه فارنهايت نامگذاري مي‌شود. از مقياس فارنهايت که هنوز هم در بعضي از کشورهاي انگليسي نيز استفاده مي‌شود، در کارهاي علمي استفاده نمي‌شود (خود انگليسيها در سال 1964 مقياس سيلسيوس را براي استفاده‌هاي تجاري و غير نظامي پذيرفتند). رابطه مقياسهاي فارنهايت و سيلسيوس به اين صورت است:
Tf = 32 + 9/5Tc
از اين رابطه مي‌توان نتيجه گرفت که نقطه يخ (C 0.00?) معادل با 32.F 0? و نقطه بخار (100.C 0?) معادل با 212.F 0? و هر درجه فارنهايت دقيقا 5.9 برابر يک درجه سيلسيوس است.

مقياس عملي بين المللي دما

دماسنج استاندارد عبارتست از دماسنج گازي با حجم ثابت. نقطه ثابت استاندارد در دماسنجي ، نقطه سه گانه آب است که براي آن به دلخواه مقدار273.16 K در نظر گرفته شده است. مقياس گازي براي تعريف دماي گاز کامل از رابطه (T= 273.16 K (limp/P + r بکار مي‌رود. اين مقياس در گستره‌اي که يک دماسنج گازي مي‌تواند مورد استفاده قرار گيرد، با مقياس کلوين (توموديناميکي مطلق) يکسان است.
منبع: http://atwis.com
/خ