Concept

مفهوم دما : 

از نظر فيزيكي، گرما مقداري از انرژي ذاتي يك جسم است كه در اثر حركت تصادفي مولكولها و اتم‌هاي آن بوجود مي‌آيد. براي مثال همانگونه كه افزايش سرعت توپ  تنيس باعث افزايش انرژي آن مي‌شود، انرژي دروني يك جسم نيز با افزايش دما افزايشمي‌يابد. دما پارامتري است كه با پارامترهاي ديگر مانند جرم و نظاير آن، ميزان انرژي يك جسم را بيان مي‌كند. استاندارد اوليه دما، كلوين مي باشد.در 0 درجه کلوین كليه مولكولهاي يك ماده در استراحت كامل هستند. آنها در اين حالت ديگر هيچ انرژي گرمايي از خود نداشته واین بدان معني است كه در اين حالت دماي منفي‌تري نخواهيم داشت زيرا سطح انرژي مولكولها از اين پايين‌تر نخواهد رفت.

تاريخچه اندازه‌گيري دما:

در سال1596ميلادي تعريف صحیحی از دما وجود نداشت .دانشمندی ايتاليايي به نام گاليله دست به سلسله آزمايشاتی زده وتوانست دستگاه دماسنجی متشکل از يك حباب، يك تيوب شيشه‌اي متصل به آن و يك ظرف پر از آب كه تيوب در آن قرار مي‌گرفت را بسازد. به گونه‌اي كه درون حباب شيشه‌اي پر از هوا بوده و در اثر گرم‌شدن هواي محبوس درون اين حباب، فشاري به ستون آب درون تيوب وارد‌ آمدهوآب را به طرف پايين حركت مي‌داد .

جابجايي سطح آب درون تيوب شيشه‌اي متناسب با دما بوده و به اين ترتيب گاليله مي‌توانست دما را اندازه‌گيري كند.اما يك اشكال بزرگ در كار اين نوع دماسنج جلوه مي‌نمود و آن اينكه بالا يا پايين آمدن سطح مايع تنها بعلت حرارت يا برودت هوا صورت نمي‌گرفت. بلكه عوامل ديگري مانند تغييرات فشار جوي نيز در اين كار سهيم بودند كه دقيق نبودن دماسنج گاليله را آشكار مي‌ساخت.

در سال  1715ميلادي، فارينهايت ترمومترهاي جيوه‌اي را اختراع كرده كه يك پيشرفت فوق‌العاده براي آن زمان محسوب مي‌شد.او همچنين يك مقياس خاص را براي گرما تعريف كرد كه بعدها و حتي تا به امروز به نام او ماندگار‌ شد. او براي تعيين درجه صفر، مبناي خود از سرماي زمستان سال 1709 ميلادي الهام گرفت و تركيبي از يخ، آمونيوم كلرايد جامد و آب را بكار‌برد. با انتخاب اين صفر، او اميدوار بود كه ديگر دماهاي منفي‌تري نخواهد‌داشت.

در سال 1742 ميلادي سلسيوس سوئدي اعلام كرد كه به جاي مقياس حرارتي فارينهايت مقياس ساده‌تر و كاربردي‌تري كشف كرده‌است . او دو نقطه خاص كه در هر جاي دنيا قابل توليد بودند را مرجع كار خود قرار ‌داد. يكي نقطه ذوب يخ 0 درجه سانتیگراد و يكي نقطه جوش آب 100 درجه سانتیگراد بود. او فاصله بين آنها را به صد قسمت مساوي تقسيم‌كرد و اين امر باعث شد كه هر ترمومتري به سادگي در اين دو نقطه (0 و 100 درجه سانتیگراد) قابل تنظيم وكاليبره‌شدن باشد.

نقاط ثابت دمايي:
همانگونه كه مي دانيم مواد بطور كلي به سه حالت جامد، مايع و گاز در طبيعت يافت مي شوند و عامل تعيين‌كننده حالت مواد درجه حرارت آنها مي‌باشد. در برخي دماها هر دو حالت يا سه حالت مذكور مي‌توانند با هم وجود داشته باشند. براي مثال آب در0 درجه سانتیگرادهم مي‌تواند يخ باشد و هم آب 0 درجه سانتیگراد باشد.
حتي براي آب درجه حرارتي وجود دارد كه به هر سه حالت جامد، مايع و گاز مي‌تواند وجود داشته باشد و آن دما 0 درجه سانتیگراد و1 درجه سانتيگراد است. البته مواد ديگر به غير از آب، تنها مي‌توانند دو حالت و نه سه حالت را همزمان داشته باشند.

مقياس درجه‌بندي حرارت:
براي اندازه‌گيري نقاط ثابت و ترموديناميك از ترمومترهاي گازي استفاده مي‌شود. اندازه ‌گيري‌ها بر اساس اندازه‌گيري نقاط مختلف و مقايسه آنها در لابراتوارهاي بسيار پيشرفته انجام مي‌شود. اين دستگاههاي بسيار گران بها و در عين حال پيشرفته براي استفاده‌هاي صنعتي مقرون به صرفه نمي‌باشند.

اثر ترموالكتريك :
اولين بار ترموكوپل‌ در سال 1821 ميلادي توسط سيبك (Seebeck) ساخته شد، بطوريكه او دريافت در اثر تماس دو فلز غير هم جنس و حرارت‌دادن محل تماس، يك جريان الكتريكي كوچك ايجاد مي‌شود.

ولتاژ ايجاد شده به جنس دو فلز و ميزان حرارت در نقطه تماس بستگي دارد. هر يك از اين دو فلز هادي با توجه به مولكولها و الكترون‌هاي آزادشان در ايجاد اين ولتاژ مؤثراند. زمانيكه هادي در اثر حرارت گرم مي‌شود الكترونهاي آن در اثر افزايش انرژي به حركت و جنبش درمي‌آيد.

چنانچه در اثر افزايش حرارت يك سر هادي گرم شود اين گرما به الكترون‌هاي آزاد منتقل شده و سرعت گردشي آنها بيشتر مي‌شود و در نهايت الكترون‌ها از آن سر هادي كه گرم شده است دور مي‌شوند و به سمت ديگر هادي كه سرد است منتقل مي شوند. به عبارتي آن سر از هادي كه در معرض حرارت قرار گرفته مثبت و سر ديگر كه خنك است و الكترونها در آن تجمع كرده‌اند قطب منفي مي‌باشد.

اين مسئله علت انتقال گرما در يك فلز می باشد.در اثر حركت الكترونهاي درون فلزنیز انرژي گرمايي در طول فلز منتقل مي‌شود.
حال اگر يك فلز ديگر از همان جنس، در محل اتصال به فلز اوليه متصل شود در اين فلز جديد نيز يك اختلاف پتانسيل ايجاد مي‌شودولي اختلاف پتانسيل ايجاد شده در هر دو فلز يكسان است. اگرانتهاي آنها را با يك ولت متر مقايسه كنيم عملاً اختلاف پتانسيل صفر را مشاهده خواهيم كرد.
حال اگر يك فلز غير هم جنس با فلز اوليه را به آن متصل كنيم، اختلاف پتانسيل ايجاد شده در دو سر آزاد فلزها ديگر صفر نبوده و اين اختلاف توسط يك ولت‌متر براحتي قابل مشاهده خواهد بود.

توجه داشته باشيد ولت متري كه براي اندازه‌گيري ولتاژ سرهاي آزاد ترموكوپل استفاده مي‌شود، خود داراي دو سيم هم جنس باشد. لذا در غير اينصورت در محل اتصال ولت متر به دو سر آزاد ترموكوپل يك اختلاف پتانسيل ثانويه مجازي ايجاد شده كه اين خود باعث بروز خطا در سيستم اندازه گيري ميگردد.