پروژه

دما

دما

اندازه گیری دما یکی از مهمترین مسائل چه در زندگی روزمره و چه در علوم است. بخاطر همین اهمیت در طول تاریخ روشهای مختلفی برای اندازه گیری دما ابداع شده است و به علت وجود نارسائیهایی در آنها همواره به تکامل آن اهتمام ورزیده شده است. در اینجا می‌خواهیم در مورد انواع یکاهای‌دما ، نارسائیهای آن و فرم تکامل یافته امروزی آنها بحث کنیم. مسیر تحولی و رشد در تمام وسایلی که در سده 18 برای اندازه گیری دما طراحی شد، در واقع اندازه گیریها عبارت بودند از پیدا کردن طول ستون آب - الکل و یا جیوه.

بدیهی است که می‌شد دو دماسنج یکسان ساخت و آنها را طوری تنظیم کرد که همواره قرائتهای یکسان داشته باشند، اما این دماسنجها فقط در گستره دمایی محدودی کار می‌کردند. مایعی که با آن دماسنج را پر می‌کردند یخ می‌بست یا به جوش می‌آمد. با چنین دماسنجهایی نمی‌توانستند دماهای خیلی بالا یا خیلی پایین را اندازه بگیرند. از طرفی رابطه میان درجات بین دماسنجها متفاوت بود پس نخستت لازم بود نقطه‌های مرجع ، یعنی شرایط متناظر با نقاط انتخابی معین روی مقیاس دماسنج ، مانند مبدا مقیاس ، انتخاب شوند. دوم آن که ضریبی برای درجه که به انتخاب دما بستگی نداشته باشد و بتوان برای بازسازی مقیاس در هر زمان و در هر نقطه از زمین ، استفاده کرد.
چگونه می‌توان دما را به طرز دقیقتر تعیین کرد، تا اینجا هنوز بدون پاسخ مانده است. اگر دما کمیتی فیزیکی است باید روشی برای تعیین آن وجود داشته باشد، روشی که حداقل در اصل مستقل از ماده‌ای باشد که در طراحی دماسنج بکار رفته است. این مساله بعد از ابداع ترمودینامیک حل شد. راه حل را در سال 1227/1848، رودلف ژولیوس امانوئل کلوزیوس ، با بهره گیری از نظریه کارنو درباره گرما پیدا کرد.

 

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 (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 .

مفهوم 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..


عوامل تغییر دما عبارتند از:
فصول و طول روز
 روزهای تابستان گرمتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع بالاتری در آسمان قرار دارد و طول روز بیشتر است.
روزهای زمستان سردتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع پایین تری در آسمان قرار دارد و طول روز کوتاهتر است.

جریان های اقیانوسی
 جریان های آب گرم اقیانوسی، به عنوان مثال جریان آب گرم گلف استریم (Golf Stream) که موجب می شود آب های گرم استوایی به عرض های جغرافیایی بالاتر جابه جا شده و درنتیجه به عنوان مثال، هوای زمستانی در سواحل انگلستان گرم تر باشد.

جریان های آب سرد اقیانوسی، برای مثال جریان های ایسلندی که آب سرد قطبی را به شرق کانادا می برد و موجب می شود دمای زمستانی ایالت متحده سردتر باشد.

باد
 سیستم جهانی باد، گرما و رطوبت را از عرض های جنب حاره ای به طرف عرض های جغرافیایی بالاتر انتقال می دهد. گرمای نهان تبخیر، هنگامی که هوای منقبض به طرف عرض جغرافیایی بالاتر می رود و چگالش روی می دهد، کاهش می یابد.
عرض جغرافیایی
 زاویه تابش خورشید با افزایش مسافت از استوا بزرگ تر می شود از این رو انرژی خورشیدی در ناحیه بزرگتری منتشر می گردد، در نتیجه میزان گرما کاهش می یابد.
خشکی ها
 زمین به سرعت گرم شده و به سرعت نیز سرد می گردد. درحالی که آب به کندی گرم شده و به کندی سرد می شود. این موجب می شود نواحی قاره ای افزایش دمایی زیادی داشته باشند در حالی که نواحی ساحلی کاهش دمایی بسیار زیادی دارند.
ارتفاعات
 اتمسفر در ارتفاعات بالاتر، نازک تر می شود. به ازای هر 100متر که از سطح زمین بالا می رویم دما 1 درجه سانتی گراد کاهش می یابد.
پوشش ابر
 ابرها، تابش های موج بلند صادر شده از زمین را به زمین منعکس می نمایند که این موجب می شود دما پایدارتر مانده و کمتر نوسانات بزرگ نماید.

مشخصه های سطوح
 سطوح متفاوتند:
زمین های فاقد پوشش به سرعت گرم و به سرعت سرد می شوند. در صورتی که زندگی گیاهی موجب ایجاد سایه ها شده و در نتیجه دما را معتدل می سازد.
آب نیز به کندی گرم می شود و گرما را در خود نگه می دارد.

جهت گیری دامنه ها
 دامنه های آفتاب گیر گرمای بیشتری را نسبت به دامنه های که در مقابل تابش مستقیم آفتاب قرار ندارند، دریافت می کنند.
نیمکره شمالی دامنه های جنوبی از دامنه های شمالی گرم ترند.

 دماسنجی

 دانش اندازه گیری دما را دماسنجی می نامند. این عمل با وسیله ای به نام دماسنج انجام می گیرد.

دماسنجی بر چه اساسی صورت می گیرد؟

ج: تغییر دمای اجسام و مواد مختلف می تواند باعث تغییر طول، حجم، رنگ و یا سایر ویژگی های فیریکی آن شود. تغییرات این کمیتها می تواند معیاری برای اندازه گیری دما باشد. مثلاً اکثر مایعات بر اثر افزایش دما منبسط می شوند و از این خاصیت در ساختن دماسنج های جیوه ای یا الکلی استفاده می شود.

ساختمان یک دماسنج جیوه ای یا الکلی ساده چگونه است؟

ج: این دماسنج ها مطابق شکل زیر از یک لوله شیشه ای باریک سربسته( خالی از هوا) متصل به یک مخزن تشکیل شده اند. مخزن پر از جیوه( یا الکل) است. با بالا رفتن دمای مایع درون مخزن، حجم آن بیشتر می شود( انبساط می یابد) و مایع در لوله باریک بالا می رود و سطح بالایی آن در ارتفاع بالاتری قرار می گیرد. از ارتفاع مایع در لوله باریک می توان برای اندازه گیری دما استفاده کرد، زیرا هرچه دما بالاتر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و هر چه دما کمتر باشد، ارتفاع مایع کمتر است.

انواع دماسنج ها

دما

دما یکی از عناصر اساسی شناخت هوا می باشد، با توجه به دریافت نامنظم انرژی خورشیدی توسط زمین، دمای هوا در سطح زمین دارای تغییرات زیادی است که این تغییرات به نوبه خود سبب تغییرات دیگری در سایر عناصر هوا می گردد. دمای هوا را به وسیله دماسنج اندازه گیری می کنند.

انواع دماسنج ها
 
دماسنج معمولی (استاندارد Thermometer)

این دماسنج یک لوله بسیار باریک شیشه ای مسدود است که در انتهای آن محفظه ای تعبیه و از جیوه یا الکل پر شده است. در داخل لوله دماسنج خلاء کامل وجود دارد. گرم و سرد شدن مخزن باعث گرم و سردشدن مایع درون مخزن شده و متعاقب آن باعث بالا و پایین رفتن مایع در داخل مخزن شیشه ای می شود، با مشاهده سطح مایع در داخل لوله دماسنج و قرائت عددی که روی بدنه شیشه نوشته شده است دمای هوا در آن لحظه مشخص می شود.

 
دماسنج حداکثر (Max-Thermometer)

اغلب نیاز است علاوه بر دمای معمولی هوا حداکثر دمایی که در طول یک دوره معین مثلاً یک شبانه روز اتفاق افتاده است نیز اندازه گیری و تثبیت شود به این منظور از دماسنج حداکثر استفاده می کنند. این نوع دماسنج با یک تفاوت جزیی تقریبا مشابه دماسنج های معمولی است به این صورت که لوله مویین آن در محلی که به مخزن منتهی می شود بسیار باریک شده است. هنگامی که دما زیاد می شود جیوه داخل مخزن منبسط شده و نیروی حاصل می تواند باعث راندن جیوه از داخل مجرای باریک بالای مخزن به قسمت بالای لوله گردد به این ترتیب ارتفاع جیوه در داخل مخزن بالا می رود و با کاهش دما مایع داخل مخزن منقبض می شود ولی باریک بودن لوله از برگشت مایع به داخل مخزن جلوگیری می کند و سطح مایع در داخل لوله در محلی که بالاترین دمای قبلی اتفاق افتاده است باقی می ماند بنابراین سطح فوقانی جیوه نشان دهنده حداکثر دمای اتفاق افتاده است.

 
دماسنج حداقل (Minimum Thermometer)

دماسنج های حداقل برای تثبیت پایین ترین دمای اتفاق افتاده در یک دوره معین به کار می رود دماسنج های حداقل مشابه دماسنج های معمولی است با این تفاوت که مایع داخل مخزن این نوع دماسنج به جای جیوه از مایعات رقیق تر مانند الکل استفاده می شود. به علاوه در داخل لوله مویین یک سوزن شیشه ای که دو سر آن گرد می باشد رها گردیده که به عنوان شاخص از آن استفاده می شود، وقتی دمای هوا کاهش می یابد با انقباض مایع سطح بالای الکل در داخل لوله مویین با اعمال نیروی کشش سطحی شاخص سوزنی را نیز به طرف پایین مخزن حرکت می دهد با افزایش دما مجدداً الکل در داخل لوله مویین از اطراف سوزن عبور کرده و به طرف بالا صعود می کند اما سوزن در پایین ترین محلی که قبلا در اثر کشش سطحی پایین آمده بود باقی می ماند.

بنابراین قسمت بالایی شاخص شیشه ای پایین ترین دمایی را که اتفاق افتاده است نشان می دهد در حالی که انتهای سطح الکل در بالای لوله دمای لحظه ای هوا را نشان می دهد.

 

 دماسنج حداقل - حداکثر (Min-Max Thermometer)

این دماسنج ترکیبی از دو دماسنج حداقل و حداکثر می باشد، این دماسنج از یک لوله شیشه ای U شکل ساخته شده است که دو انتهای آن مسدود می باشد. قسمت پایینی لوله U شکل با جیوه پر شده است. علاوه بر جیوه قسمت بالایی لوله قسمت چپ به طور کامل از الکل پر شده است اما نصف حجم لوله سمت راست که انتهای آن به صورت یک مخزن گشاد شده می باشد از الکل پر شده است و نصف دیگر آن از یک نوع گاز پر شده است. در بالاترین سطح جیوه و در داخل الکل در هر دو ستون شاخص های شیشه ای رنگی که یک سوزن در وسط آن تعبیه شده است وجود دارد در اثر گرم و سرد شدن و متعاقب آن انبساط و انقباض سطح جیوه بالا و پایین می رود. بالاترین حدی که جیوه در شاخه سمت چپ بالا رفته است دمای حداقل و بالاترین حدی که جیوه در شاخه سمت راست بالا رفته دمای حداکثر را نشان می دهد.

دمانگار (Thermograph)
دمانگار یک وسیله کاملاً مکانیکی است و با استفاده از یک عنصر فلزی که انحنای آن با دما تغییر می کند ساخته شده است یک طرف عنصر فلزی حساس به تغییرات دما که دارای انحنا می باشد به بازوی اهرم طویل و متحرکی بسته شده است که این بازو ممکن است مستقیماً دما را از روی یک مقیاس ساده درجه بندی شده نشان دهد و یا اینکه انتهای بازو به یک قلم ثبات متصل گردد. با تغییر دمای هوا انحنای فلز تغییر می کند و این امر با توجه به نحوه تغییرات دما باعث انحراف قلم در انتهای بازوی مکانیکی به طرف بالا و پایین در روی کاغذ گراف می گردد و دماها ثبت می شوند.

 

 

 

مقیاس دماسنجی

بسیاری خواص فیزیکی سنجش‌پذیر وجود دارند که همچنانکه ادراک فیزیولوژیکی ما از دما تغییر می‌کند، آنها نیز تغییر می‌کنند. از جمله این خواص می‌توان از حجم یک مایع ، طول یک میله ، مقاومت الکتریکی یک سیم ، فشار یک گاز در حجم ثابت ، حجم یک گاز در فشار ثابت و رنگ نور رشته یک لامپ نام برد. هر یک از این خواص را می‌توان برای ساختن یک دماسنج یعنی بوجود آوردن یک مقیاس خصوصی دما ، بکار برد. چنین مقیاس دمایی را با انتخاب یک ماده دماسنجی بخصوص و استفاده از خاصیت دماسنجی خاصی از این ماده ، ایجاد می‌کنیم.
 

دماسنج

برای تعیین یک مقیاس تجربی دما ، سیستمی با مختصات X و Y را به عنوان سیستم 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 منحنیهای هم‌دمای آن ، اختیار می‌کنیم. به هر سیستم دیگری که با دماسنج در تعادل گرمایی باشد، همین عدد را برای دما نسبت می‌دهیم.
 

شرط نقطه سه‌گانه

برای رسیدن به نقطه سه‌گانه ، آب بسیار خالص را که ترکیب ایزوتوپی آن عمدتا شبیه آب اقیانوس است، در ظرفی که در شکل زیر طرح آن نشان داده شده است، تقطیر می‌کنند. پس از این که تمام هوا از ظرف خارج شد، دهانه ظرف را مسدود می‌کنند. با کمک یک مخلوط سرد کننده در حفره داخلی ، یک لایه یخ در اطراف این حفره تشکیل می‌شود. وقتی که مخلوط سرد کننده با یک حباب دماسنج جایگزین شود، یک لایه نازک در اطراف این دماسنج ذوب می‌شود. مادامی که فازهای جامد ، مایع و بخار با یکدیگر در تعادل به سر می‌برند، سیستم در نقطه سه‌گانه است

 

عوامل تغییر دما را عبارتند از:

فصول و طول روز
روزهای تابستان گرمتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع بالاتری در آسمان قرار دارد و طول روز بیشتر است.
روزهای زمستان سردتر هستند زیرا خورشید در ارتفاع پایین تری در آسمان قرار دارد و طول روز کوتاهتر است.

جریان های اقیانوسی
جریان های آب گرم اقیانوسی، به عنوان مثال جریان آب گرم گلف استریم (Golf Stream) که موجب می شود آب های گرم استوایی به عرض های جغرافیایی بالاتر جابه جا شده و درنتیجه به عنوان مثال، هوای زمستانی در سواحل انگلستان گرم تر باشد.
جریان های آب سرد اقیانوسی، برای مثال جریان های ایسلندی که آب سرد قطبی را به شرق کانادا می برد و موجب می شود دمای زمستانی ایالت متحده سردتر باشد.

 

باد
سیستم جهانی باد، گرما و رطوبت را از عرض های جنب حاره ای به طرف عرض های جغرافیایی بالاتر انتقال می دهد. گرمای نهان تبخیر، هنگامی که هوای منقبض به طرف عرض جغرافیایی بالاتر می رود و چگالش روی می دهد، کاهش می یابد.

عرض جغرافیایی
زاویه تابش خورشید با افزایش مسافت از استوا بزرگ تر می شود از این رو انرژی خورشیدی در ناحیه بزرگتری منتشر می گردد، در نتیجه میزان گرما کاهش می یابد.

خشکی ها
زمین به سرعت گرم شده و به سرعت نیز سرد می گردد. درحالی که آب به کندی گرم شده و به کندی سرد می شود. این موجب می شود نواحی قاره ای افزایش دمایی زیادی داشته باشند در حالی که نواحی ساحلی کاهش دمایی بسیار زیادی دارند.

ارتفاعات
اتمسفر
در ارتفاعات بالاتر، نازک تر می شود. به ازای هر 100متر که از سطح زمین بالا می رویم دما 1 درجه سانتی گراد کاهش می یابد.

پوشش ابر
ابرها، تابش های موج بلند صادر شده از زمین را به زمین منعکس می نمایند که این موجب می شود دما پایدارتر مانده و کمتر نوسانات بزرگ نماید.

مشخصه های سطوح
سطوح متفاوتند:
زمین های فاقد پوشش به سرعت گرم و به سرعت سرد می شوند. در صورتی که زندگی گیاهی موجب ایجاد سایه ها شده و در نتیجه دما را معتدل می سازد.
آب
نیز به کندی گرم می شود و گرما را در خود نگه می دارد.



JavaScript Codes


Javascripts