دماسنج

دماسنج یا ترمومتر (به فرانسوی: Thermomètre) وسیله‌ای است که دما یا گرادیان دما (درجه گرم یا سرد بودن یک جسم) را اندازه‌گیری می‌کند. هر دماسنج دارای دو عنصر مهم است: (۱) یک سنسور دما (به عنوان مثال حباب جیوه در دماسنج جیوه‌ای یا سنسور بیرومتریک در دماسنج مادون قرمز) که با تغییر دما در آنها تغییراتی ایجاد می‌شود. و (۲) روشی برای نمایش این تغییرات به صورت یک مقدار عددی (به عنوان مثال مقیاس مرئی که در دماسنج جیوه‌ای روی شیشه علامت گذاری شده‌است یا نمایشگر دیجیتال در مدل مادون قرمز). دماسنج‌ها به‌طور گسترده‌ای در فناوری و صنعت برای پایش فرایندها استفاده می‌شوند. همچنین در اندازه‌گیری، پزشکی، و تحقیقات علمی کاربرد فراوانی دارند.

اختراع اولین دماسنج معتبر معمولاً به پزشک ایتالیایی سانتوریو سانتوریو (سنکتوریوس، ۱۵۶۱–۱۶۳۶)^[1] نسبت داده می‌شود، اما استانداردسازی آن در طول قرن ۱۷ و ۱۸ به پایان رسید.^[2]^[3]^[4] در دهه‌های اول قرن هجدهم در جمهوری هلند، دانیل گابریل فارنهایت^[5] با دو موفقیت، انقلابی در تاریخ دماسنجی ایجاد کرد. وی دماسنج جیوه‌ای (اولین دماسنج پرکاربرد، دقیق و کاربردی)^[6]^[7] و مقیاس فارنهایت (اولین مقیاس درجه حرارت استاندارد که به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت) را اختراع کرد.^[8]

اصول فیزیکی کارکرد دماسنج‌ها

دماسنج‌ها را می‌توان به صورت تجربی یا مطلق توصیف کرد. دماسنج‌های مطلق توسط مقیاس دمای مطلق ترمودینامیکی به صورت عددی کالیبره می‌شوند. به صورت کلی دماسنج‌های تجربی لزوماً با دماسنج‌های مطلق از نظر اندازه‌گیری مقیاس عددی کاملاً مطابقت ندارند، اما برای اینکه بتوان آنها را یک دماسنج نامید باید با دماسنج‌های مطلق و با یکدیگر، طبق شرایط زیر مطابقت داشته باشند: با داشتن دو جسم مجزا و در حالت تعادل ترمودینامیکی ایزوله از هم، همه دماسنج‌ها باید بتوانند تشخیص دهند دمای کدام یک از دیگری بالاتر یا با هم مساوی است.^[9] برای هر دو دماسنج تجربی، نیازی نیست که رابطه بین قرائت مقیاس عددی آنها خطی باشد، اما این رابطه باید کاملاً یکنوا باشد.^[10] این امر یک ویژگی اساسی دما و دماسنج است.^[11]^[12]^[13]

مواد دماسنجی

انواع مختلفی از دماسنج تجربی بر اساس ویژگی‌های مواد وجود دارد. بسیاری از دماسنج‌های تجربی بر اساس رابطه بین فشار، حجم و دمای مواد دماسنجی کار می‌کنند. به عنوان مثال، جیوه هنگام گرم شدن منبسط می‌شود. هر ماده‌ای که بر اساس این رابطه برای دماسنجی استفاده می‌شود، باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:

گرمایش و سرمایش آن باید سریع باشد. به عبارت دیگر، زمانی که مقداری گرما وارد بدنه ماده می‌شود، ماده باید بلافاصله به حجم، یا فشار یا دمای نهایی خود برسد؛ مقداری از گرمای وارد شده می‌تواند حجم بدنه ماده را در دمای ثابت تغییر دهد که به آن گرمای نهان انبساط در دمای ثابت می‌گویند؛ و بقیه آن می‌تواند دمای بدنه ماده را در حجم ثابت تغییر دهد که به آن گرمای خاص در حجم ثابت می‌گویند. بعضی از مواد این خاصیت را ندارند و برای توزیع گرما بین تغییر دما و حجم مدتی طول می‌کشد.^[14]
گرمایش و سرمایش باید برگشت‌پذیر باشد. به عبارت دیگر، این ماده باید بتواند غالباً با همان افزایش و کاهش گرما، گرم و سرد شود و همچنان هر بار به فشار، حجم و دمای اولیه خود بازگردد. بعضی از پلاستیکها این خاصیت را ندارند؛^[15]
گرمایش و سرمایش باید یکنوا باشد.^[16]^[17] در دمای حدود ۴ درجه سلسیوس، آب این خاصیت را ندارد، و گفته می‌شود از این لحاظ رفتار غیرعادی دارد؛ بنابراین نمی‌توان از آب به عنوان ماده‌ای برای این نوع دماسنج‌ها برای دامنه‌های دمایی نزدیک به ۴ درجه سلسیوس استفاده کرد.^[18]^[19]^[20]^[21]^[22]

دماسنج حجم ثابت

طبق گفته پرستون (۱۹۴۴–۱۹۰۴)، آنری ویکتور رگنولت دماسنج‌های فشاری با فشار ثابت را نامطلوب دانست، زیرا آنها نیاز به اصلاحات دردسرساز داشتند و به همین دلیل او یک دماسنج هوایی با حجم ثابت ساخت.^[23] دماسنج‌های با حجم ثابت راهی برای جلوگیری از مشکل رفتار ناهنجار مانند آب در دمای تقریبی ۴ درجه سلسیوس فراهم نمی‌کنند.^[24]

دماسنج طبی

از دماسنج طبی (که دماسنج بالینی نیز نامیده می‌شود) برای اندازه‌گیری دمای بدن انسان یا حیوان استفاده می‌شود. نوک دماسنج طبی در دهان زیر زبان (دمای دهانی یا زیرزبانی)، زیر بغل (دمای زیر بغل)، از طریق مقعد به داخل رکتوم (دمای مقعد)، داخل گوش (دمای تمپان)، یا روی پیشانی (دمای گیجگاهی) قرار داده می‌شود.

دماسنجی گوش معمولاً با دماسنج‌های مادون‌قرمز انجام می‌شود.
دماسنج پیشانی نمونه‌ای از دماسنج کریستال مایع است.
دماسنج‌های مقعدی و دهانی معمولاً جیوه‌ای بودند اما اکنون عمدتاً ترمیستورهای NTC با نمایشگرهای دیجیتالی جایگزین آنها شده‌اند.^[25]

در طول تاریخ از روش‌های مختلف دماسنجی، استفاده شده‌است، از دماسنج گالیله گرفته تا تصویربرداری دمایی.^[26] دماسنج‌های طبی مانند دماسنج‌های جیوه‌ای، دماسنج‌های مادون قرمز، دماسنج‌های قرصی و دماسنج‌های کریستال مایع در مراقبت‌های بهداشتی برای تشخصی افراد تب‌دار یا دارای سرماخوردگی تشخیص داده شوند.

دلیل استفاده از جیوه در دماسنج‌ها

ترمومترهای انبساطی که عمدتاً به عنوان دماسنج جیوه‌ای mercury thermometer معروف هستند و دماسنج محیطی محسوب می‌شوند. دماسنج جیوه‌ای از یک لوله باریک با یک مخزن به شکل کروی یا استوانه ای تشکیل شده‌است که درون آن با مایعی عمدتاً از جنس جیوه یا الکل پر شده‌است.^[27]

علت استفاده از جیوه به جای آب

آب بیرنگ است در نتیجه نمی‌تواند دما را به خوبی نشان دهد.
آب به دلیل داشتن ظرفیت گرمایی بالا، نسبت به تغییرات درجه حرارت و دما حساس نیست.
آب زیر صفر درجه یخ می‌زند و بالای ۱۰۰ درجه به جوش می‌آید و تبخیر می‌شود بنابراین در محدودهٔ کمی از دما به صورت مایع است.
کشش سطحی آب زیاد است و به مقدار زیادی به دیواره می‌چسبد.
چگالی یا دانسیته کمی در مقایسه با جیوه دارد.^[28]

منابع

[1]
Bigotti, Fabrizio (2018). "The Weight of the Air: Santorio's Thermometers and the Early History of Medical Quantification Reconsidered". Journal of Early Modern Studies. 7 (1): 73–103. doi:10.5840/jems2018714. ISSN 2285-6382. PMC 6407691. PMID 30854347.
[2]
Court, Arnold (12 May 1967). "Concerning an Important Invention" (PDF). {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
[3]
Sherry, David (2011). "Thermoscopes, thermometers, and the foundations of measurement" (PDF). Studies in History and Philosophy of Science. 42 (4): 509–524. doi:10.1016/j.shpsa.2011.07.001.
[4]
McGee, Thomas Donald (1988). Principles and Methods of Temperature Measurement. pp. 2–9. ISBN 978-0-471-62767-8.
[5]
Daniel Gabriel Fahrenheit was born in Danzig (Gdańsk), then a predominantly German-speaking city in the Pomeranian Voivodeship of the Polish–Lithuanian Commonwealth. He later moved to the Dutch Republic at age 15, where he spent the rest of his life (1701–1736).
[6]
Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer, 1592–1743. (Easton, PA: Chemical Publishing Company, 1900)
[7]
Knake, Maria (April 2011). "The Anatomy of a Liquid-in-Glass Thermometer". AASHTO re:source, formerly AMRL (aashtoresource.org). Retrieved 4 August 2018. For decades mercury thermometers were a mainstay in many testing laboratories. If used properly and calibrated correctly, certain types of mercury thermometers can be incredibly accurate. Mercury thermometers can be used in temperatures ranging from about -38 to 350 °C. The use of a mercury-thallium mixture can extend the low-temperature usability of mercury thermometers to -56 °C. (...) Nevertheless, few liquids have been found to mimic the thermometric properties of mercury in repeatability and accuracy of temperature measurement. Toxic though it may be, when it comes to LiG [Liquid-in-Glass] thermometers, mercury is still hard to beat.
[8]
Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer, 1592–1743. (Easton, PA: Chemical Publishing Company, 1900)
[9]
Beattie, J.A. , Oppenheim, I. (1979). Principles of Thermodynamics, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, شابک ‎۰−۴۴۴−۴۱۸۰۶−۷, page 29.
[10]
Thomsen, J.S. (1962). "A restatement of the zeroth law of thermodynamics". Am. J. Phys. 30 (4): 294–296. Bibcode:1962AmJPh..30..294T. doi:10.1119/1.1941991.
[11]
Mach, E. (1900). Die Principien der Wärmelehre. Historisch-kritisch entwickelt, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, section 22, pages 56-57. English translation edited by McGuinness, B. (1986), Principles of the Theory of Heat, Historically and Critically Elucidated, D. Reidel Publishing, Dordrecht, شابک ‎۹۰−۲۷۷−۲۲۰۶−۴, section 5, pp. 48–49, section 22, pages 60–61.
[12]
Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۹۰۴۰۳−۴.
[13]
Serrin, J. (1986). Chapter 1, 'An Outline of Thermodynamical Structure', pages 3-32, especially page 6, in New Perspectives in Thermodynamics, edited by J. Serrin, Springer, Berlin, شابک ‎۳−۵۴۰−۱۵۹۳۱−۲.
[14]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, page 20.
[15]
Ziegler, H. , (1983). An Introduction to Thermomechanics, North-Holland, Amsterdam, شابک ‎۰−۴۴۴−۸۶۵۰۳−۹.
[16]
Thomsen, J.S. (1962). "A restatement of the zeroth law of thermodynamics". Am. J. Phys. 30 (4): 294–296. Bibcode:1962AmJPh..30..294T. doi:10.1119/1.1941991.
[17]
Landsberg, P.T. (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations, Interscience Publishers, New York, page 17.
[18]
Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۹۰۴۰۳−۴.
[19]
Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, third edition, Longmans, Green, and Co. , London, pages 232-233.
[20]
Lewis, G.N. , Randall, M. (1923/1961). Thermodynamics, second edition revised by K.S Pitzer, L. Brewer, McGraw-Hill, New York, pages 378-379.
[21]
Thomsen, J.S.; Hartka, T.J. (1962). "Strange Carnot cycles; thermodynamics of a system with a density extremum". Am. J. Phys. 30 (1): 26–33. Bibcode:1962AmJPh..30...26T. doi:10.1119/1.1941890.
[22]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, pages 9-10, 15-18, 36-37.
[23]
Preston, T. (1894/1904). The Theory of Heat, second edition, revised by J.R. Cotter, Macmillan, London, Section 92.0
[24]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, pages 9-10, 15-18, 36-37.
[25]
US Active 6854882, Ming-Yun Chen, "Rapid response electronic clinical thermometer", published 2005-02-15, assigned to Actherm Inc.
[26]
E.F.J. Ring (January 2007). "The historical development of temperature measurement in medicine". Infrared Physics & Technology. 49 (3): 297–301. Bibcode:2007InPhT..49..297R. doi:10.1016/j.infrared.2006.06.029.
[27]
«آشنایی با دماسنج و کاربرد آن». مجله مقالات linkedin. اکتبر ۷, ۲۰۱۹.
[28]
تبیان، موسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی (۲۰۱۰-۱۲-۰۷). «مشاهده مشاوره». سایت مؤسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی تبیان. دریافت‌شده در ۲۰۱۸-۰۱-۱۸.

[:0-1] [1]
Bigotti, Fabrizio (2018). "The Weight of the Air: Santorio's Thermometers and the Early History of Medical Quantification Reconsidered". Journal of Early Modern Studies. 7 (1): 73–103. doi:10.5840/jems2018714. ISSN 2285-6382. PMC 6407691. PMID 30854347.

[2] [2]
Court, Arnold (12 May 1967). "Concerning an Important Invention" (PDF). {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)

[3] [3]
Sherry, David (2011). "Thermoscopes, thermometers, and the foundations of measurement" (PDF). Studies in History and Philosophy of Science. 42 (4): 509–524. doi:10.1016/j.shpsa.2011.07.001.

[4] [4]
McGee, Thomas Donald (1988). Principles and Methods of Temperature Measurement. pp. 2–9. ISBN 978-0-471-62767-8.

[Fahrenheit-5] [5]
Daniel Gabriel Fahrenheit was born in Danzig (Gdańsk), then a predominantly German-speaking city in the Pomeranian Voivodeship of the Polish–Lithuanian Commonwealth. He later moved to the Dutch Republic at age 15, where he spent the rest of his life (1701–1736).

[Bolton-6] [6]
Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer, 1592–1743. (Easton, PA: Chemical Publishing Company, 1900)

[Knake-7] [7]
Knake, Maria (April 2011). "The Anatomy of a Liquid-in-Glass Thermometer". AASHTO re:source, formerly AMRL (aashtoresource.org). Retrieved 4 August 2018. For decades mercury thermometers were a mainstay in many testing laboratories. If used properly and calibrated correctly, certain types of mercury thermometers can be incredibly accurate. Mercury thermometers can be used in temperatures ranging from about -38 to 350 °C. The use of a mercury-thallium mixture can extend the low-temperature usability of mercury thermometers to -56 °C. (...) Nevertheless, few liquids have been found to mimic the thermometric properties of mercury in repeatability and accuracy of temperature measurement. Toxic though it may be, when it comes to LiG [Liquid-in-Glass] thermometers, mercury is still hard to beat.

[Bolton2-8] [8]
Bolton, Henry Carrington: Evolution of the Thermometer, 1592–1743. (Easton, PA: Chemical Publishing Company, 1900)

[9] [9]
Beattie, J.A. , Oppenheim, I. (1979). Principles of Thermodynamics, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, شابک ‎۰−۴۴۴−۴۱۸۰۶−۷, page 29.

[Thomsen_1962-10] [10]
Thomsen, J.S. (1962). "A restatement of the zeroth law of thermodynamics". Am. J. Phys. 30 (4): 294–296. Bibcode:1962AmJPh..30..294T. doi:10.1119/1.1941991.

[11] [11]
Mach, E. (1900). Die Principien der Wärmelehre. Historisch-kritisch entwickelt, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, section 22, pages 56-57. English translation edited by McGuinness, B. (1986), Principles of the Theory of Heat, Historically and Critically Elucidated, D. Reidel Publishing, Dordrecht, شابک ‎۹۰−۲۷۷−۲۲۰۶−۴, section 5, pp. 48–49, section 22, pages 60–61.

[Truesdell_1980-12] [12]
Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۹۰۴۰۳−۴.

[13] [13]
Serrin, J. (1986). Chapter 1, 'An Outline of Thermodynamical Structure', pages 3-32, especially page 6, in New Perspectives in Thermodynamics, edited by J. Serrin, Springer, Berlin, شابک ‎۳−۵۴۰−۱۵۹۳۱−۲.

[Truesdell_Bharatha_1977_20-14] [14]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, page 20.

[Ziegler_1983-15] [15]
Ziegler, H. , (1983). An Introduction to Thermomechanics, North-Holland, Amsterdam, شابک ‎۰−۴۴۴−۸۶۵۰۳−۹.

[Thomsen_19622-16] [16]
Thomsen, J.S. (1962). "A restatement of the zeroth law of thermodynamics". Am. J. Phys. 30 (4): 294–296. Bibcode:1962AmJPh..30..294T. doi:10.1119/1.1941991.

[17] [17]
Landsberg, P.T. (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations, Interscience Publishers, New York, page 17.

[Truesdell_19802-18] [18]
Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۹۰۴۰۳−۴.

[19] [19]
Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, third edition, Longmans, Green, and Co. , London, pages 232-233.

[20] [20]
Lewis, G.N. , Randall, M. (1923/1961). Thermodynamics, second edition revised by K.S Pitzer, L. Brewer, McGraw-Hill, New York, pages 378-379.

[21] [21]
Thomsen, J.S.; Hartka, T.J. (1962). "Strange Carnot cycles; thermodynamics of a system with a density extremum". Am. J. Phys. 30 (1): 26–33. Bibcode:1962AmJPh..30...26T. doi:10.1119/1.1941890.

[Truesdell_Bharatha_1977-22] [22]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, pages 9-10, 15-18, 36-37.

[23] [23]
Preston, T. (1894/1904). The Theory of Heat, second edition, revised by J.R. Cotter, Macmillan, London, Section 92.0

[Truesdell_Bharatha_19772-24] [24]
Truesdell, C. , Bharatha, S. (1977). The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines. Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech, Springer, New York, شابک ‎۰−۳۸۷−۰۷۹۷۱−۸, pages 9-10, 15-18, 36-37.

[25] [25]
US Active 6854882, Ming-Yun Chen, "Rapid response electronic clinical thermometer", published 2005-02-15, assigned to Actherm Inc.

[Ring2007-26] [26]
E.F.J. Ring (January 2007). "The historical development of temperature measurement in medicine". Infrared Physics & Technology. 49 (3): 297–301. Bibcode:2007InPhT..49..297R. doi:10.1016/j.infrared.2006.06.029.

[27] [27]
«آشنایی با دماسنج و کاربرد آن». مجله مقالات linkedin. اکتبر ۷, ۲۰۱۹.

[rlq12-28] [28]
تبیان، موسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی (۲۰۱۰-۱۲-۰۷). «مشاهده مشاوره». سایت مؤسسه فرهنگی و اطلاع‌رسانی تبیان. دریافت‌شده در ۲۰۱۸-۰۱-۱۸.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]