قياس درجة الحرارة 1 - الصف التاسع - عُمان

نستخدم في العلوم موازين الحرارة لقياس درجة الحرارة. فنقيس مثلاً درجة حرارة جسم الإنسان باستخدام ميزان الحرارة الزجاجي المُعبّأ بمادة سائلة. يحتوي الميزان على عمود رفيع من الزئبق أو الكحول، يتمدّد داخل أنبوبة زجاجية مُفرَغة من الهواء كلّما سخن. ويمكننا بدلاً من ذلك استخدام ميزان حرارة يحتوي على سائل بلّوري وهذا النوع أكثر أمانًا وخاصّة عند استخدامه مع الأطفال الذين قد يعضّون موازين الحرارة الزجاجية
ويكسرونها. وعلينا في كلا النوعين أن ننتظر دقيقة أو دقيقتَين كي نقرأ درجة الحرارة بشكل صحيح، لاحتمال أن يكون ميزان الحرارة قد خُزِّن في مكان بارد نسبيًّا. فإذا كان في دُرج درجة حرارته °20c ودرجة حرارة المريض حوالي °38c فسوف يستغرق بعض الوقت لكي تثَبت قراءته على درجة حرارة المريض.
درجة الحرارة : قياس لمدى سخونة جسم ما أو برودته
تتغيّر بعض خصائص المواد بتغيُّر درجة الحرارة، وميزان الحرارة جهاز يستخدم ذلك لقياس درجة الحرارة ، هناك موازين حرارية تعتمد على التمدُّد والانكماش للمادة السائلة داخل أنبوبة زجاجية مُفرَغة من الهواء. وهناك تصميمات لموازين حرارة أخرى تعتمد على تغيُّر خاصّية فيزيائية أخرى للمواد مع اختلاف درجة الحرارة.
ومن الخصائص الفيزيائية التي تتغيّر بتغيُّر درجة الحرارة والتي يمكن استخدامها لصنع موازين حرارة:
1- حجم المادة السائلة
2- طول المادة الصلبة
3- المُقاوَمة الكهربائية لسلك
4- الجهد الكهربائي بين نقطتَي اتّصال فلزّين مختلفَين
مميّزات ميزان الحرارة
الحساسية Sensitivity في ميزان الحرارة هي قدرته على قياس التغيُّرات الصغيرة في درجة الحرارة بدقّة، وهي تعتمد على مقدار التغيُّر في إحدى الخصائص الفيزيائية عند حدوث تغيُّر طفيف في درجة الحرارة. وكلما كانت علامات التدريج مُتباعِدة، تكبر إمكانية اكتشاف التغيُّرات الصغيرة في درجة الحرارة. ويكون ميزان حرارة بعلامات تدريج مُتباعِدة 1cm للدرجة السيليزية الواحدة أكثر حساسية من ميزان بعلامات تدريج متباعدة 1mm للدرجة السيليزية الواحدة. ويُعدّ أكثر موازين الحرارة حساسية في العالم هو الميزان الذي يَستخدم نوعًا من البلّورات تتغيّر فيها سرعة الضوء مع درجة الحرارة. وهذا النوع حسّاس لتغيُّر مقداره 003 000 0.000 من الدرجة. المدى Range في ميزان الحرارة هو الفرق بين درجة الحرارة الدنيا والقصوى التي يمكن أن يقيسها الميزان. ويعتمد المدى على الخصائص الفيزيائية للمواد المُستخدَمة فيه. فميزان الحرارة الزجاجي المُعبّأ بالكحول مثلاً له حدّ أقصى لقياس درجة الحرارة وهو 78 °C لأن درجة غليان الكحول تبلغ 78 °C . وبالمقابل توجد أنواع من موازين الحرارة مثل المُزدوِجات الحرارية تقيس درجات حرارة من °200c - إلى أكثر من°1200c أي بمدى يصل إلى °1400c
الخطّية Linearity في ميزان الحرارة تعني أن التغيُّر في الخاصّية الفيزيائية يكون طرديًّا بتغيُّر درجة الحرارة.ويُعدّ ميزان الحرارة الزئبقي ميزانًا خطّيًّا؛ لأن المسافة بين علامات تدريجه متساوية؛ أي إن العلاقة بين درجة الحرارة وارتفاع عمود السائل خطّية طردية. لنفترض أن ارتفاع درجة الحرارة بمقدار °10c يسبِّب ارتفاع عمود السائل بمقدار 1cm . عندها ستسبّب الزيادة بمقدار 20c° ارتفاع عمود السائل بمقدار 2cm . والمُقاوَمة الحرارية (الثرمستور) أداة كهربائية تتغيّر مقاومتها الكهربائية بشكل كبير مع التغيُّرات الطفيفة في درجة الحرارة. تُصنع المُقاوِمات الحرارية من مواد تنخفض مُقاوَمتها الكهربائية مع ارتفاع درجة الحرارة. ومن إيجابيات المُقاوِمات الحرارية قابلية استخدامها في صنع بعض المعدّات الإلكترونية، ومتانتها وصعوبة تلفها. ولكن من سلبياتها أن التغيُّر في مُقاوَمتها الكهربائية مع درجة الحرارة ليس خطّيًا
يعود الفضل في صنع أول ميزان حرارة عام 1593 إلى العالِم غاليليو Galileo . وفي ذلك الميزان يتمدّد الهواء داخل الدورَق أو ينكمش مع ارتفاع درجة الحرارة أو انخفاضها. وهذا يجعل مستوى سطح الماء في الأنبوبة يتغيّر مُشيرًا إلى التغيُّرات في درجة الحرارة ولكن على مدى ضيّق فقط. فقد ثبت أن ميزان الحرارة
هذا ليس دقيقًا بسبب فقدان جزء من ماء الخزّان نتيجة تبخُّره، وذوبان جزء من الهواء في الماء. واليوم تُستخدَم في موازين الحرارة الزجاجية الحديثة مادة سائلة كالزئبق أو الكحول بدلاً من الهواء. وهاتان المادّتان تتمدّدان لدى تسخينهما أيضًا.
وصمّم أندرس سلسيوس Anders Celsius ، الذي كان يعمل في السويد، ميزان حرارة أكثر نجاحًا من ميزان الحرارة الذي صمّمه غاليليو. إذ احتوى على كمّية من الزئبق معبّأة في أنببة مُغلقة ومفرّغة من الهواء ولا يكون هناك مجال لفقدان المادة السائلة بواسطة التبخّر. وهو يشبه كثيرًا ميزان الحرارة السيليزي الأكثر حداثة والذي ابتكره سلسيوس أيضًا، وعُرف باسم التدريج السيليزي، وله نقطتان ثابتتان هما: 0c° وهي درجة تجمُّد الماء النقي عند الضغط الجوي القياسي. 100c° وهي درجة غليان الماء النقي عند الضغط
الجوي القياسي.
وهناك نوع آخر من موازين الحرارة هو المُزدوِج الحراري Thermocouple وهو أداة تُعطي جُهدًا كهربائيًّا كناتج عند تغيُّر درجة الحرارة. يتكوّن المُزدوِج الحراري من أسلاك مصنوعة من فلزّين مختلفَين، حيث يربط سلك من الفلزّ X عند كل من طرفَيه مع سلك من الفلزّ Y لتشكيل نقطتَي ربط. ومن أجل استخدام المُزدوِج الحراري يُوصّل طرفا السلكَين Y بفولتمتر حسّاس ثم توضع إحدى نقطتَي الربط في ثلج ينصهر عند درجة
حرارة 0 °C ، ويوضع الطرف الآخر في الجسم المُراد قياس درجة حرارته يُظهِر الفولتمتر قراءة جُهد كهربائي. وكلّما ازداد الفرق في درجات الحرارة بين نقطتَي الربط ازداد الجهد الكهربائي الناتج. يجب أن يكون المُزدوِج الحراري مُعايَرًا لكي نتمكّن من استخلاص درجة الحرارة من قراءة الجُهد الكهربائي.