دماسنج چیست؟ – انواع آن و طرز ساخت یک ترمومتر ساده

وسیله ای که برای اندازه گیری دما و حرارت به کار می رود و درجه سردی و گرمی یک جسم را نشان می دهد دماسنج نامیده می شود. افزایش دما باعث انبساط مایع داخل ترمومتر شده و مایع را در لوله بالا می برد و کاهش دما این مایع را منقبض کرده و ارتفاع آن را پایین می آورد. در کتاب علوم پایه هفتم این وسیله مهم معرفی شده است. برای شناخت بهتر این وسیله و طرز کار با آن با این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک با ما همراه باشید.

دما چیست

به طور کلی به میانگین انرژی جنبشی مولکول های یک جسم گرما و به معیار اندازه گیری گرمای جسم دما می گویند. به عبارتی دیگر میزان گرمی و سردی یک جسم با دما سنجیده می شود. هر چه انرژی گرمایی یک جسم بالا باشد دمای آن نیز بالا خواهد بود. میزان گرما و کمیت دما با یکاهای مختلفی چون درجه سانتی گراد (سلسیوس)، درجه کلوین و فارنهایت اندازه گیری می شود.

دماسنج یا ترمومتر (thermometer) چیست

برای اندازه گیری دمای اجسام از وسیله ای به نام دماسنج استفاده می کنند که میزان سردی و گرمی اجسام را نشان می دهد. هر ترمومتر دارای یک سنسور دما می باشد که بسته به نوع آن به شکل های مختلف است. مثلا در ترمومتر شیشه ای یک مخزنی از الکل یا جیوه در انتهای شیشه دو سربسته وجود دارد که با تغییرات دما ارتفاع آن بالا یا پایین می رود. در دماسنج مادون قرمز سنسور پیرومتریک وجود دارد. نمایشگر یا هر روش دیگری برای نشان دادن درجه دما قسمت دوم هر ترمومتری می باشد. در دماسنج های شیشه ای درجه بندی روی شیشه بوده و در مدل مادون قرمز نمایشگر دیجیتالی می باشد.

کشف دماسنج

اولین بار در سال ۱۵۹۲ گالیه کسی بود که وسیله ای ساخت که در آن هوای درون ظرف شیشه ای وارونه با تغییر دمای آن، منبسط یا منقبض شده و ارتفاع سطح مایع آن تغییر می کرد. اولین دماسنج جیوه ای درجه بندی شده در سال ۱۷۰۰ تا ۱۷۳۰ توسط گابریل فارنهایت ساخته شد. درجه بندی این ترمومتر از نقطه ذوب یخ (۳۲ درجه سانتی گراد) تا دمای ۹۶ درجه بود. مقیاس سانتی گراد اولین بار در سال ۱۷۴۲ توسط آندرس سلسیوس سوئدی توسعه داده شد.

بازه دمایی آندرس بین نقطه جوش آب صفر درجه سانتی گراد و نقطه ذوب برف ۱۰۰ درجه بود که امروزه برعکس آن یعنی صفر درجه برای نقطه انجماد و ۱۰۰ درجه برای انتهای گرم و با تقسیمات ۱۰۰ درجه ای نام گذاری شد. در سال ۱۸۴۸ سیستمی از درجه سانتی گراد با شروع از صفر مطلق (۲۷۳,۱۵- درجه سلسیوس) توسط کلوین و به نام مقیاس درجه کلوین ارائه شد. در مقیاس رانکین درجه فارنهایت با شروع از صفر مطلق (۴۵۹,۶۷- درجه فارنهایت) است.

علت استفاده از جیوه در ترمومترها

موادی که به عنوان مایع دماسنجی استفاده می شود باید خصوصیات زیر را داشته باشد. جیوه یکی از این مواد مناسب می باشد. چون درجه افزایش حجم جیوه با افزایش دما در همه شکل ثابت و معین می باشد. با گرم کردن جیوه داخل شیشه و انبساط آن، تا حدی بالا می رود ولی اگر دوباره به همان مقدار به این ترمومتر گرما داده شود، دمای آن دوباره تا همان نقطه بالا می رود. همچنین جیوه گرمایش و سرمایش سریع دارد. یعنی با ورود گرما مایع سریع منبسط شده و به حجم، فشار و دمای نهایی خود می رسد.

نحوه درجه بندی ترمومترها

چون برای درجه بندی به دو دمای ثابت مود نیاز است پس ابتدا ترمومتر را داخل ظرفی از یخ در حال مذاب گذاشته و هر جایی که مایع ترمومتر در آن قرار گرفته علامت زده و به آن عدد صفر را می دهیم. سپس با قرار دادن مخزن ترمومتر در بخار آب جوش، جایی که مایع ترمومتر قرار گرفته (در نتیجه انبساط مایع) علامت زده و عدد ۱۰۰ را به آن می دهیم. بین نقاط علامت گذاری شده به ۱۰۰ قسمت مساوی تقسیم می شود. در هنگام درجه بندی یخ و آبی که استفاده می شود باید خالص باشد و فشار در محل انجام آزمایش برابر یک اتمسفر باشد. در هنگام علامت گذاری عدد ۱۰۰ مخزن ترمومتر در بخار آب قرار داده شود نه خود آب.

انواع دماسنج

دماسنج معمولی یا انبساطی یا مایع (expansion thermometer)

این دماسنج به عنوان یک دماسنج محیطی، لوله باریک شیشه ای با دو انتهای بسته می باشد که در یک انتها مخزنی استوانه ای یا کروی دارد. مایع دماسنجی که می تواند الکل یا جیوه باشد داخل این مخزن را پر کرده است. این نوع ترمومتر به دماسنج های جیوه ای معمولی معروف هستند. وقتی این دماسنج در محیط گرم قرار داده می شود مایع درون آن منبسط شده و با پیروی از قانون انبساط سطحی مایعات، ارتفاع آن بالا می آید. از نشانه های دقیق بودن یک ترمومتر باریک تر بودن لوله ترمومتر، نازک تر بودن دیواره مخزن و بیشتر بودن ظرفیت مخزن و مایع آن می باشد.

این ترمومترها دارای محدودیت دمایی هستند. به عنوان مثال وقتی از الکل به عنوان مایع دماسنجی در آن ها استفاده می شود، مانند اتانول با نقطه جوش ۷۸ درجه سانتی گراد، یعنی برای موارد بیشتر از این دما نمی توان از آن استفاده کرد.

دماسنج گازی (gas thermometer)

این نوع ترمومترها دارای مخزنی با حجم ثابت هستند که مقداری گاز با فشار تحت کنترل داخل آن وجود دارد. با قرار گرفتن این ترمومتر در محیط گرم فشار گاز داخل مخزن افزایش پیدا کرده و این افزایش فشار با فشارسنج تعیین و دما محاسبه می شود.

دماسنج ترموکوپلی (thermocouple thermometer)

ساخت این ترمومتر با استفاده از دو سیم نازک و رسانا، با دو جنس متفاوت (مانند مس و آهن) امکان پذیر است. دو سر سیم ها را به هم متصل کرده و سر دیگر آن ها را به یک میلی آمپر متر وصل می کنیم. در این مدار جریان الکتریکی و اختلاف پتانسیل زمانی ایجاد می شود که قسمت مشترک دو رشته سیم گرما داده می شود. مقدار جریان الکتریکی ایجاد شده به یکی از عواملی که بستگی دارد مقدار گرمایی است که به این نقطه اشتراک داده می شود.

پیرومتر (آذرسنج یا تف سنج pyrometer)

پیرومتر برای اندازه گیری دماهای بسیار بالا مانند کوره های ذوب فلزات کاربرد دارد. این ترمومتر دارای یک تلسکوپ از یک لامپ رشته ای ساخته شده که با نشانه گیری به سمت کوره، از طریق تلسکوپ به آن نگاه کرده و تغییرات آن را مشاهده می کنند. درجه بندی آن روی رئوستا انجام می شود. به این روش، اندازه گیری دما به طور غیرتماسی نیز می گویند.

دماسنج پزشکی (clinical thermometer)

دو نوع دماسنج پزشکی که برای اندازه گیری تب در کودکان و بزرگسالان استفاده می شود موجود است.

دماسنج جیوه ای پزشکی

ترمومتر جیوه ای پزشکی که دارای دقت اندازه گیری ۱̸۰ می باشد، دارای درجه بندی ۳۵ تا ۴۲ درجه سانتی گراد می باشد. نشانه های دقیق بودن یک ترمومتر مانند درجه بندی ریز، باریک بودن لوله دماسنج و دیواره بسیار نازک شیشه ای را این نوع ترمومتر داشته و آن را بسیار دقیق برای اندازه گیری دمای بدن کرده است. وجود انحنا در انتهای این ترمومترهای پزشکی به این دلیل است که وقتی بعد از گرفتن دمای بدن، به محض جدا شدن از بدن بیمار وقتی مایع دماسنجی دچار انقباض می شود، سریع از لوله پایین نرود.

ترمومتر دهانی دیجیتال

این ترمومتر دیجیتال بدن از طریق تماس با بدن و به شکل دهانی، زیر بغلی و یا مقعدی استفاده می شود. این ترمومترها به صورت و اندازه های مختلفی ساخته شده و سریع ترین و دقیق ترین نوع ترمومتر می باشد. طرز استفاده از آن به این شکل است که ابتدا درجه صفر شده سپس در محل مورد نظر از بدن فرد قرار گرفته و صدای بوق نشان دهنده زمان خواندن دما می باشد. این نوع ترمومترها هر چند وقت یکبار باید با یک ترمومتر جیوه ای کالیبره شوند.

ترمومتر گوشی (ear thermometer)

در ترمومتر گوشی یک سنسوری وجود دارد که تابش های فروسرخی که از پرده صماخ گوش گسیل می شود را می گیرد. با این ترمومتر خیلی سریع دمای گوش درونی با قرار دادن آن داخل گوش اندازه گیری می کنند. مزیت این ترمومتر اندازه گیری دمای بدن در هنگام خوابیدن کودک است.

ترمومتر غیرتماسی پزشکی

این ترمومتر که به نام ترمومتر تفنگی یا پیشانی معروف است با نزدیک کردن در فاصله ۱ تا ۳ سانتی متری به پیشانی فرد، در عرض چند ثانیه دما را با صدای بوقی نشان می دهد. دقت این ترمومترها بالا بوده و در بازه دمایی ۳۰ تا ۴۲ درجه سانتی گراد می باشد.

طریقه ساخت یک ترمومتر

یک شیشه یا بطری شیشه ای با درب پلاستیکی یا فلزی را برداشته، ابتدا درب آن را با دریل به اندازه قطر نیی که می خواهید از آن عبور دهید سوراخ کنید. نی را از انتها درون این سوراخ گذاشته و با بتونه ای مثل گچ آن را سفت کنید. درون شیشه را از آب سرد پر کنید و سپس درب آن را ببندید (اگر آب سرریز شد و آب در نی بالا بیاید مشکلی نیست). سطح آب داخل نی را علامت بزنید. سپس دستگاه ساخته شده را داخل سینکی که از آب داغ پر کردید، قرار دهید. سطح آب داخل نی بالا می رود. این یک ترمومتر حبابی ساده می باشد ولی به دلایل مختلف چون مخزن بزرگ، دقت آن پایین می باشد.

قیمت دماسنج ساده

دما توسط ابزاری به نام دماسنج اندازه گیری می شود. رایج ترین وسیله  دماسنج جیوه ای است که از یک لوله شیشه بلند که در پایین به یک حباب که تا حدی با جیوه پر شده است، تشکیل شده است. سوراخ لوله بسیار کوچک است – قطر کمتر از ۰.۰۲ اینچ (۰.۵ میلی متر). بنابراین مقدار کمی از انبساط یا انقباض جیوه در لامپ، ناشی از گرم کردن یا سرد کردن، افزایش یا کاهش قابل توجهی در سطح آن در لوله ایجاد می کند. منحنی لوله به عنوان یک ذره بین عمل می کند که باعث می شود رشته نازک جیوه به وضوح قابل مشاهده باشد. در ساخت یک دماسنج مایع، جیوه معمولاً با حرارت دادن به بالای لوله هدایت می شود. زمانی که جیوه در طول خنک شدن منقبض می شود خلاء ایجاد می شود. الکل رنگی یا مایعات دیگر برای ثبت دمای زیر نقطه انجماد جیوه، که ۳۷.۹۷ درجه فارنهایت (۳۸.۸۷- درجه سانتیگراد) است، استفاده می شود. اختراع دماسنج را به گالیله نسبت می دهند. اولین دماسنج مهر و موم شده توسط فیزیکدان آلمانی دانیل گابریل فارنهایت در سال ۱۷۱۴ تولید شد. او همچنین اولین مقیاس درجه حرارت پرکاربرد را پیشنهاد کرد.

دماسنج ها در حال حاضر انواع مختلفی دارند و برای کاربردهای متنوع مورد استفاده قرار می گیرند. از نظر قیمت هر چه دماسنج پیشرفته تر باشد قطعا قیمت بالاتری دارد. برخی دماسنج ها به دلیل ویژگی های بسیار قوی برای فروش در دسترس عموم نیستند و فقط در مراکز تحقیقاتی مورد استفاده قرار می گیرند. برای آگاهی از قیمت انواع مختلف دماسنج ها می توانید به سایت های فروش این تجهیزات مراجعه نمایید.