دما
دما یکی از مهم‌ترین مفاهیم در فیزیک و علوم طبیعی است که بیانگر میزان گرما یا سرمای یک جسم یا سیستم است. به بیان دیگر، دما شاخصی برای اندازه‌گیری انرژی حرارتی موجود در یک ماده یا سیستم است. این مفهوم اساسی در بسیاری از زمینه‌های علمی و صنعتی، از ترمودینامیک گرفته تا فیزیک حالت جامد و حتی مهندسی شیمی کاربرد دارد.
یکاهای مختلفی برای دما وجود دارد. در دستگاه بین‌المللی از کلوین استفاده می‌شود، ولی سلسیوس، فارنهایت و رانکین نیز کاربرد دارند.
اندازه‌گیری دما با دماسنج انجام می‌شود. انواع مختلف دماسنج‌ها از روش‌های گوناگون برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند. برای مثال، دماسنج جیوه‌ای از ویژگی انبساط گرمایی جیوه بهره می‌برد.
تغییر دمای یک جسم یا محیط با تبدیل انرژی انجام می‌شود. برای نمونه، اتلاف انرژی مکانیکی به دلیل اصطکاک منجر به افزایش دما می‌شود. از سوی دیگر، سرد کردن گازها با انبساط گاز انجام می‌شود.
علم ترمودینامیک به مطالعه فرایندهای مرتبط با تغییرات دما می‌پردازد.
در زندگی روزمره، دما نقش اساسی در راحتی و بهداشت انسان دارد. از تنظیم دمای محیط در ساختمان‌ها و وسایل نقلیه گرفته تا کنترل دمای غذاها و نوشیدنی‌ها، دما تأثیر زیادی بر کیفیت زندگی ما دارد.
تاریخچه و تکامل مفهوم دما
مفهوم دما از دوران باستان مورد توجه بشر بوده است. فلاسفه یونان باستان نظیر ارشمیدس و ارستو در آثار خود به نوعی به تغییرات گرمایی اشاره کرده‌اند، اما درک علمی دما به شکل امروزی در دوران رنسانس و با پیشرفت‌های علمی در قرن هفدهم آغاز شد. گالیله اولین کسی بود که در سال ۱۵۹۲ دماسنجی ابتدایی ساخت. پس از او، افرادی چون فارنهایت، سلسیوس، کلوین به توسعه و استانداردسازی مقیاس‌های دما پرداختند.
دما یک ویژگی ماده است که به انرژی گرمایی آن وابسته است. هرچه انرژی گرمایی ماده‌ای بیشتر شود، دمای آن نیز بالاتر می‌رود. دما به عنوان میزان گرم بودن یک ماده تعریف می‌شود. میان دو ماده با دمای متفاوت، ماده‌ای که گرمای بیشتری داشته باشد، دمای بالاتری دارد. برای اندازه‌گیری دما، یکاهای مختلفی تعریف شده‌اند.
مقیاس‌های دما
سه مقیاس اصلی دما در علم فیزیک به کار می‌روند:
- مقیاس سلسیوس (Celsius): این مقیاس بر اساس نقطه انجماد (۰ درجه سلسیوس) و نقطه جوش (۱۰۰ درجه سلسیوس) آب در فشار استاندارد استوار است.
- مقیاس فارنهایت (Fahrenheit): در این مقیاس، نقطه انجماد آب ۳۲ درجه فارنهایت و نقطه جوش آن ۲۱۲ درجه فارنهایت در نظر گرفته شده است.
- مقیاس کلوین (Kelvin): مقیاس کلوین که در آن صفر مطلق (۰ کلوین) به عنوان پایین‌ترین دمای ممکن تعریف شده است، بر اساس اصول ترمودینامیک پایه‌ریزی شده است. در این مقیاس، نقطه انجماد آب ۲۷۳.۱۵ کلوین و نقطه جوش آن ۳۷۳.۱۵ کلوین است.
روابط میان یکاهای مختلف دما
روابط زیر میان یکاهای متداول دما وجود دارد:
- K] = [°C] + ۲۷۳٫۱۵]
- F]= ۱٫۸ [°C] + ۳۲ °]
قوانین و معادلات مهم
در فیزیک، چندین قانون و معادله مهم به دما مرتبط هستند:
- قانون صفرم ترمودینامیک: اگر دو سیستم در حال تعادل حرارتی با یک سیستم سوم باشند، آنها با هم نیز در تعادل حرارتی هستند.
- قانون اول ترمودینامیک: انرژی در یک سیستم بسته حفظ می‌شود؛ یعنی، انرژی نمی‌تواند ایجاد یا نابود شود، بلکه فقط از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می‌شود.
- قانون دوم ترمودینامیک: انتقال گرما از یک جسم گرم به یک جسم سرد به صورت خودبخودی انجام نمی‌شود؛ به عبارت دیگر، آنتروپی کلی یک سیستم بسته افزایش می‌یابد.
- قانون سوم ترمودینامیک: به صفر نزدیک شدن آنتروپی یک سیستم کامل در دمای صفر مطلق.
اهمیت و کاربردهای دما
دما نقش حیاتی در بسیاری از فرآیندهای طبیعی و صنعتی ایفا می‌کند. در زمینه‌های مختلفی از جمله:
- ترمودینامیک: مطالعه انتقال گرما و انرژی و قوانین مربوط به آن.
- فیزیک حالت جامد: تاثیر دما بر خواص فیزیکی مواد.
- مهندسی شیمی: کنترل واکنش‌های شیمیایی و فرآیندهای تولیدی.
- زیست‌شناسی: تاثیر دما بر موجودات زنده و محیط زیست آنها.
رویکرد ترمودینامیکی به دما
از نظر ترمودینامیکی، یکاهای دما به دو دسته تقسیم می‌شوند:
مقیاس‌های تجربی
بسیاری از مقیاس‌های دما به صورت تجربی و بر اساس ویژگی‌های فیزیکی مواد تعریف شده‌اند. برای مثال، ارتفاع ستون جیوه در دماسنج جیوه‌ای وابسته به دما است. این مقیاس‌ها دارای محدودیت هستند. برای مثال، دماسنج جیوه‌ای نمی‌تواند دماهای بالاتر از نقطه جوش و پایین‌تر از نقطه ذوب جیوه را نشان دهد.
مقیاس‌های نظری
مقیاس‌های نظری بر پایه پارامترهای نظری از جمله ترمودینامیک و مکانیک کوانتوم تعریف می‌شوند. این مقیاس‌ها از ویژگی مواد و تجهیزات ایده‌آل استفاده می‌کنند. یکای استاندارد دما بر پایه چرخه ایده‌آل ماشین گرمایی کارنو تعریف شده است.
برخی از دماهای مهم
| موضوع | دما بر حسب درجه سلسیوس | |
|---|---|---|
| ۱ | نقطهٔ جوش هیدروژن مایع | ۲۳۵- |
| ۲ | نقطهٔ انجماد الکل | ۱۱۶- |
| ۳ | نقطهٔ انجماد جیوه | ۳۹- |
| ۴ | نقطهٔ جوش اکسیژن مایع | ۳۲- |
| ۵ | نقطهٔ ذوب یخ | ۰ |
| ۶ | دمای بدن انسان سالم | ۳۷ |
| ۷ | نقطهٔ جوش الکل | ۷۹ |
| ۸ | نقطهٔ جوش آب | ۱۰۰ |
| ۹ | نقطهٔ جوش جیوه | ۳۵۷ |
| ۱۰ | نقطهٔ ذوب طلا | ۱۰۶۷ |
| ۱۱ | دمای سطح خورشید | ۵۶۰۰ |
| ۱۲ | دمای تقریبی هستهٔ درونی زمین | ۶۰۰۰ |
دستگاه‌های اندازه‌گیری دما
اندازه‌گیری طیف تابش الکترومغناطیسی از یک جسم سیاه ایده‌آل می‌تواند دمای دقیق را نشان دهد، زیرا بسامد بیشینه طیف تابشی از یک جسم سیاه، نسبت مستقیم با دمای آن دارد.
دستگاه‌های مختلفی برای اندازه‌گیری دما وجود دارند که شامل:
- دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی: بر اساس تغییر حجم مایع با تغییر دما.
- دماسنج‌های دیجیتال: استفاده از حسگرهای الکترونیکی برای اندازه‌گیری دقیق دما.
- ترموکوپل‌ها: دستگاه‌هایی که از اختلاف ولتاژ بین دو فلز مختلف در دماهای متفاوت استفاده می‌کنند.