دماسنج ها-فصل دوم-نوع ۱

*بستگی دما به جسم و ویژگی دماسنجی *

تاریخچه

این مطالب بطور تجربی در اوایل قرن نوزدهم توسط شیمیدان انگلسیس به نام اچ . دیوی (H.Davy 1778-1829) اثبات شد. او نشان داد که دماسنج‌ها با بکار بردن مایعات مختلف به عنوان ماده دماسنجی ، دماهای مختلفی را در محدود 0 تا 100 درجه سانتیگراد می‌دهند. به این علت ، ضروری است که یک مقیاس را انتخاب کنیم و برای تمامی انتخابها یک جسم دماسنجی و یک ویژگی دماسنجی داشته باشیم.

ارتباط دما با جسم دماسنجی

بیایید یک جسم دماسنجی برای مثال یک سیم آهنی و یک ویژگی دماسنجی برای مثال طول آن را انتخاب کنیم و برخی مقیاسهای دمایی برای مثال مقیاس سلسیوس را بر گیریم. حال بیایید یک جسم دماسنجی دیگر (یک سیم مسی) با همان ویژگی دماسنجی (طول آن) و همچنین مقیاس سلسیوس را در نظر بگیریم. می‌خواهیم درجه حرارت برخی اجسام را به کمک این اجسام دماسنجی ، اندازه بگیریم. طبیعتا ، ما دماهای مختلفی را برای یک درجه حرارت بدست خواهیم آورد. علت این است که بستگی طول به درجه حرارت برای اجسام مختلف ، متفاوت است. از این رو مقدار دما در یک مقیاس دمایی بستگی به جسم دماسنجی دارد.

ارتباط دما با ویژگی دماسنجی

اگر ما جسم دماسنجی و مقیاس دماسنجی را ثابت بگیریم و ویژگی دماسنجی بکار رفته برای اندازه گیری دما را تغییر دهیم، در حالت کلی دماهای مختلفی را برای یک درجه حرارت مشخص خواهیم داشت. در نتیجه ، دما به انتخاب ویژگی دماسنجی بستگی دارد.

شرایط لازم برای انتخاب ماده دماسنجی

اصولا انتخاب ماده دماسنجی می‌تواند اختیاری باشد، ولی در واقع به هنگام توافق ما باید راحتی و دقت اندازه گیری ، حفاظت و نگهداری جسم دماسنجی و ویژگی دماسنجی و قابلیت حصول دوباره جسم دماسنجی و نتایج اندازه گیری و همچنین بازه‌های درجه حرارت که جسم دماسنجی برای آن بکار رفته و غیره را در نظر بگیریم. با در نظر گرفتن تمامی این شرایط اختیاری بودن انتخاب جسم دماسنجی عملا محدود می‌شود و ما سرانجام به یک گاز ایده‌آل به عنوان جسم دماسنجی می‌رسیم.

*یک دماسنج چگونه کار می کند؟ *

با یک لوله و چوب پنبه سر یک شیشه دارو یا شیشه کوچکی را مطابق شکل ببندید . از یک نی شیشه ای یا هر لوله شیشه ای باریک دیگری استفاده کنید . شیشه را از آبی که با یکی دو قطره جوهر یا رنگ گیاهی ، رنگی شده است پر نمایید و سر آن را با اطمینان ببندید . سطح آبی که در لوله بالا می آید را با خطی علامت بزنید .
حال شیشه را داخل ظرف آب گرم قرار دهید و یا روی یک شمع روشن نگه دارید و ببینید چه اتفاقی می افتد .
مجدداً شیشه را سرد کنید و به نتایج آن توجه نمائید .

مشاهده خواهید کرد که :

هنگامی که آب گرم می شود ، در داخل لوله بالا می رود . و وقتی سرد می شود بطرف پایین نشست می کند .

توضیح :

مایعات در اثر گرما منبسط و در اثر سرما منقبض می شوند . کار دماسنج جیوه ای که ما مورد استفاده قرار می دهیم بر اساس همین خواص می باشد .
ما مستقیماً نمی توانیم دما را اندازه بگیریم ، اما معمولاً تغییرات خواص آن را اندازه گیری می کنیم . هنگامی که مایع دماسنج ( معمولاً جیوه )‌در تماس با جسم گرمتر از خود قرار می گیرد، گرما جذب می کند و منبسط می شود . وقتی که این مایع در تماس با یک جسم سردتر از خود باشد ، خجمش کم( منقبض )می شود . دما در واقع میزان و مقیاسی است بر اینکه یک جسم از جسم دیگر گرما می گیرد یا به آن می دهد .

انواع دماسنج‌ها‌

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) 
• دماسنج حداکثر (Max-Thermometer) 
• دماسنج حداقل (Minimum Thermometer) 
• دماسنج حداقل - حداکثر (Min-Max Thermometer) 
• دمانگار (Thermograph)

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.


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 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.


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 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.

دماسنج معمولی استاندارد (Thermometer)

دماسنج حداکثر (Max-Thermometer)

دماسنج حداقل (Minimum Thermometer)

دماسنج حداقل - حداکثر (Min-Max Thermometer)

دمانگار (Thermograph)

ساخت دماسنج

تئوری آزمایش

دمای یک جسم ، نشاندهنده گرمی یا سردی آن است. دما را با مقیاس ویژه‌ای اندازه گیری می کنند. بدن شما نسبت به میزان گرمی یا سردی یک جسم ، حساس است. تاریخ استفاده از دماسنج‌ها برای اندازه گیری دما به اوایل سال 1593 بر می‌گردد. در این مقاله شما با ساخت یک نمونه دماسنج ساده آشنا خواهید شد.

هدف از آزمایش

طراحی و ساخت یک نمونه دماسنج گازی گالیله

مواد لازم

• آب 
• یک ظرف دهان گشاد یک لیتری
• یک بطری شیشه‌ای نوشابه 
• نی نوشابه خوری
• رنگ غذای آبی رنگ
• خمیر مجسمه سازی

شرح آزمایش

1. حدود 5 سانتیمتر در بطری نوشابه آب بریزید.
2. آنقدر از ماده آبی رنگ به این آب اضافه کنید تا رنگ آن ، آبی پررنگ شود.
3. حدود 5 سانتیمتر از انتهای نی را درون بطری نوشابه وارد کنید.
4. قطعه‌ای از خمیر مجسمه سازی را در دهانه بطری نوشابه قرار داده و خوب دهانه را مسدود کنید.
5. کف دست‌های خود را روی بطری بگذارید و تا آنجا که ممکن است ، بطری را فشار دهید. البته نه آنقدر که خطر شکستن آن پیش آید.
6. به مدت یک دقیقه بطری را در دست‌های خود نگه دارید.
7. بطری نوشابه را همراه با نی ، به صورت واژگون روی بطری محتوی آب رنگی قرار دهید، بطوری که سر دیگر نی ، درون آب قرار گیرد.
8. به مدت 2 تا 3 دقیقه به نی نگاه کنید.

نتیجه آزمایش

آب رنگی در نی بالا می‌رود.

• علت چیست؟
  
  از یک دماسنج ، برای اندازه گیری مقدار انرژی جنبشی متوسط مولکول‌ها استفاده می‌شود. در این آزمایش ، بطری نوشابه مدل ساده شده‌ای از دماسنج گازی گالیله است. گالیله دماسنج خود را در سال 1593 طراحی کرد و آن را ترموسکوپ نامید. هم ترموسکوپ و هم دماسنج ساده ، هر دو از این واقعیت استفاده می‌کنند که گاز وقتی گرم می‌شود، منبسط و وقتی سرد شود، منقبض می‌شود و در نتیجه تغییر دما را به ما نشان می‌دهد. بطری نوشابه و نی ، هر دو دارای هوا هستند.
  
  وقتی بطری را در دست‌های خود نگه دارید، هوای داخل بطری گرم می‌شود. مولکول‌های گاز گرم شده ، منبسط می شوند و از انتهای نی ، خارج می‌گردند. وقتی شیشه سرد می‌شود، مولکول‌های باقی مانده در شیشه منقبض می‌شوند. از آنجا که در این حالت ، تعداد کمتری مولکول در شیشه موجود است، به علت کمبود مولکول یک خلا نسبی ایجاد می‌شود و فشار داخل شیشه از فشار بیرون شیشه کمتر می‌گردد. بنابراین هوا روی سطح آب ظرف ، فشار می‌آورد و آب را به درون سر دیگر نی می‌راند و آب در نی بالا می‌رود.

• دماسنج الکترونیک

• دیدکلی

  دماسنج الکترونیک وسیله‌ای است که برای اندازه گیری دمای موادی مثل آب و حتی نقطه ذوب بسیاری ترکیبات آبی بکار می‌رود. به کمک این وسیله می‌توان حرارت داخلی یک دستگاه یا سیستم گران قیمت را اندازه گرفت. بدون اینکه سیستم آسیب ببیند. در اندازه گیری دمای برخی مایعات باید دقت شود که اثر شیمیایی بر روی سنسور حرارتی (عنصر حساس) نداشته باشد و در خصوص مایعاتی مثل اسیدها و بازهای قوی بهتر است، سنسور را داخل لوله شیشه‌ای با جدار نازک قرار داد و بطور غیر مستقیم دما را خواند.
  

  مدار ترمودینامیک

  قطعه مهم در مدار ترموالکتریک مقاومت حرارتی (تریستور) است که بطور سری با میتر (M₁) به دو سر باتری B₁ بسته شده است. با تغییر مقاومت تریستور (RT) متناسب با دما ، جریان آن نیز تغییر می‌یابد. این جریان با عبور از میتر باعث به حرکت در آمدن عقربه می‌گردد. بدیهی است که تغییرات عقربه میتر متناسب با تغییرات دما می‌باشد. با تریستوری که در این مدار بکار رفته است با افزایش دما مقاومت RT کاهش یافته و جریان بیشتری از M₁ می‌گذرد.
  
  این جریان اضافی باعث حرکت بیشتر عقربه نشان دهنده میتر به سمت راست می‌گردد. پتانسیومتر R₁ برای جبران تغییرات ولتاژ حاصل از مصرف جریان بکار می‌رود. پتانسیومتر R₂ برای میزان کردن صحیح مقیاس در ردیف بالا (HI) بکار می‌رود. با فشار دادن کلید S₃ و قرار دادن کلید S₂ در حالت SET و تنظیم R₁ می‌توان مدار را برای اندازه گیری دما ، میزان کرده و آماده نمود. با توجه به اینکه جریان مصرفی مدار بسیار کم (حدود 6 میلی آمپر و گاهی کمتر) است، می‌توان انتظار داشت که عمر باتریها زیاد باشد.
  

  طرز ساخت

  به غیر از تریستور ، تمام قطعات مدار را می‌توان در داخل یک جعبه کوچک قرار داده و توسط سیم به هم وصل کرد. با توجه به سادگی بیش از حد مدار ، بهتر است به جای صفحه فیبر مدار چاپی مس دار ، عناصر یا قطعات را بطور جداگانه توسط سیمهای نازکی به هم متصل کرد. با توجه به اینکه پتانسیومتر فقط در ابتدا یک بار برای کار صحیح مدار تنظیم می‌گردد، بهتر است آنرا در داخل جعبه قرار دهیم. در کل بهتر است بجای R₁ و S₁ از یک پتانسیومتر کلید دار استفاده کرد.
  
  این پتانسیومتر کلیدهای S₂ و S₃ ومیتر M₁ بر روی یکی از دیواره‌های جعبه در خارج نصب می‌گردند. به هنگام ساختن پروپ (سیمی که به انتهای آن تریستور متصل می‌شود) دقت کافی کنید، زیرا حرارت زیاد حاصل از لحیم کاری یا فشار مکانیکی ، می‌تواند باعث آسیب دائمی آن گردد. بهتر است طول سیم پروب بیشتر از 2 متر نباشد. محل اتصال سیم پروب به پایه‌های تریستور باید به نحوی از محیط خارج جدا شود. برای این منظور می‌توانید از عایقهای مختلف یا چسبهای پلاستیکی استفاده کنید. پس از ساختن پروب دو انتهای سیم ، آنرا به محل‌های مناسب در مدار لحیم کنید.
  

  تنظیم و استفاده از مدار

  وقتی که یک اهم متر را به دو انتهای پروب وصل می‌کنیم، باید مقداری حدود 50000 اهم را بخوانیم. با لمس تریستور موجود در سر پروب ، باید بتدریج مقدار این مقاومت کاهش یابد. در غیر اینصورت اگر اهم متر به سرعت تغییر وضعیت دهد و مقدار بسیار زیادی از تغییر مقاومت را نشان دهد، حتما تریستور آسیب دیده است. همچنین اگر تریستور در تمام مواقع ، مقدار مقاومت بسیار اندک را نشان دهد، باید آنرا عوض کرد. حال باتری B₁ را در محل خود نصب کنید.
  
  کلید S₂ را در وضعیت L₀ قرار دهیم و R₁ را بچرخانید تا کلید S₁ بسته شود. کلید S₂ را در وضعیت HI قرار داده و R₂ را طوری بچرخانید که عقربه میتر تا آخر حرکت کند. کلید S₂ را در حال SET قرار داده و کلید S₃ را به پایین فشار دهید و آن را در همان وضعیت نگه دارید. حال پتانسیومتر R₁ را طوری بچرخانید که عقربه میتر تا آخر حرکت کند. حال مقاومت 2000 اهمی را از دو سر کابل باز کنید. در این وضعیت پتانسیومتر R₂ را بطور صحیح تنظیم می‌شود.
  
  از اینجا به بعد قبل از هر استفاده‌ای کلید S₂ را در وضعیت SET قرار داده و کلید S₃ را فشار دهید و R₁ را طوری بچرخانید که عقربه میتر بیشترین مقدار را نشان دهد. برای استفاده از مدار ، R₁ را میزان کنید. سپس با انتخاب رنج اندازه گیری زیاد یا کم ، سر پروب را با جسمی که می‌خواهید دمای آن را اندازه بگیرید تماس دهید. چند ثانیه صبر کنید تا دستگاه بالاترین مقدار را نشان دهد. حال از روی میتر دما را بخوانید. دماهای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد با این دماسنج اندازه گرفته نمی‌شود، زیرا تریستور آسیب می‌بیند.

دماسنج گازی

نگاه اجمالی

جنس ، ساختمان و ابعاد دماسنج در ادرات و موسسات مختلف سراسر دنیا که این دستگاه را بکار می‌برند، تفاوت دارد و به طبیعت گاز و گسترده دمایی که دماسنج برای آن در نظر گرفته شده است، بستگی دارد. در سالهای اخیر اصلاحات بزرگ زیادی در طرح دماسنجهای گازی صورت گرفته است.

دماسنج گازی ساده

در دماسنج گازی ساده شده با حجم ثابت ، مخزن جیوه‌ای طوری بالا و پایین برده می‌شود که سطح هلالی جیوه در سمت چپ همیشه با نقطه شاخص در تماس باشد. فشار حباب برابر با مجموع فشار ارتفاع h و فشار اتمسفر است. گاز در حباب B (که معمولا از جنس پلاتین یا یکی از آلیاژهای آن است) توسط یک لوله موئین با ستون جیوه M ارتباط پیدا می‌کند، قرار دارد. حجم گازی را با تنظیم ارتفاع ستون جیوه M تا آنجا که سطح فوقانی جیوه نوک یک شاخص کوچک (به نام نقطه شاخص) را در فضای بالای M لمس کند، ثابت نگه می‌داریم. این فضا معروف به فضای مرده یا حجم مزاحم است.

ستون جیوه M با بالا یا پائین بردن مخزن جیوه تنظیم می‌شود. اختلاف ارتفاع h بین دو ستون جیوه M و را یک بار هنگامی که حباب توسط سیستمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، احاطه شده است، اندازه می‌گیریم و بار دیگر وقتی که سیستم را آب در نقطه سه گانه احاطه کرده است.

خطای موجود در دماسنج گازی

• گاز موجود در فضای مرده (و در هر حجم مزاحم دیگر) در دمایی متفاوت با دمای گاز داخل حباب است.
  
  
• گاز داخل لوله موئین که حباب را به فشارسنج وصل می‌کند، دارای شیب دماست، یعنی دمای آن یکنواخت نیست.
  
  
• حباب ، لوله موئین ، حجمهای مزاحم با تغییر دما و فشار @دستور تغییراتی می‌شوند.
  
  
• اگر قطر لوله موئین با مسیر آزاد میانگین مولکولهای گاز قابل مقایسه باشد، یک شیب فشار در لوله موئین وجود خواهد داشت. (اثر @ثردمن)
  
  
• مقداری گاز توسط دیواره‌ها ، حباب و لوله موئین برآشامیده می‌شود. هر قدر دما پائین‌تر باشد، برآشامی بیشتر است.
  
  
• اثراتی وجود دارند که ناشی از دما و تراکم پذیری جیوه در فشارسنج هستند.

اصلاح دماسنج گازی

در سالهای اخیر ، اصلاحات بزرگ زیادی در طرح دماسنجهای گازی صورت گرفته است. دو تای این اصلاحات بطور طرح‌وار در شکل زیر نشان داده شده است. به جای گاز « دماسنجی » درون حباب که مستقیما با جیوه درون فشارسنج تماس دارد، دو حجم جداگانه گاز وجود دارند: گاز دماسنجی ، که تا یک دیافراگم ادامه دارد و به یک طرف آن فشار وارد می‌آورد و یک گاز فشارسنجی که در طرف دیگر دیافراگم قرار دارد و به فشارسنج مرتبط است.

دیافراگم خود یکی از صفحات خازنی است که صفحه دیگر آن در همان نزدیکی تثبیت شده است. اختلاف فشار در دو طرف دیافراگم باعث حرکت جزئی دیافراگم می‌شود. در فشار متعارفی جو ، اختلاف فشاری برابر یک قسمت در یک میلیون قابل آشکارسازی است. وقتی دیافراگم هیچ انحرافی را نشان ندهد، فشار گاز فشارسنجی برابر با فشار گاز دماسنجی است و قرائت فشارسنج ، فشار گاز داخل حباب را بدست می‌دهد.

اصلاح فشارسنج جیوه‌ای 

یکی دیگر از اصلاحات در فشارسنج جیوه‌ای عبارت است از فضای گاز تعدیل کننده که حباب را احاطه می‌کند. گاز فشارسنجی تمام این فضا را پر می‌کند. در لحظه‌ای که فشارسنج قرائت می‌شود، هیچ نیروی خالصی که تمایل به تغییر ابعاد حباب داشته باشد، وجود ندارد و بنابراین نیاز به هیچ گونه تصحیحی برای به حساب آوردن تغییر حجم حباب با فشار نیست.

بزرگترین اصلاحات در فشارسنج جیوه‌ای انجام گرفته‌اند. با انتخاب لوله گشاد ، سطح هلالی جیوه در هر لوله خیلی تخت می‌شود. زیرا بر خلاف دستگاه قدیمی‌تری که در شکل قبل نشان داده شده است، فضای مرده بستگی به قطر لوله ندارد. محل هلال جیوه را با بکار گرفتن آن به عنوان یکی از صفحات خازن و تثبیت صفحه دیگر در نزدیک آن و اندازه گیری ظرفیت خازن توسط یک پل ac ، تعیین می‌کنیم. قالبهای پیمانه‌ای برای اندازه گیری اختلاف ارتفاع دو ستون جیوه مورد استفاده قرار می‌گیرند. فشارها را می‌توان با دقت چند ده هزارم میلیمتر جیوه یا چند صدم پاسکال ، اندازه گیری کرد.