هر آنچه در رابطه با دما و گرما باید بدانید

دما و گرما دو مفهوم رایجی هستند که کاربرد فراوانی در علم و حتی در گفتمان عادی روزمره دارند. انسان‌های نخستین نیز همیشه درگیر دما و گرما بوده و از طریق حواس چندگانه‌ی خود، آن را احساس می‌کردند، هرچند که از مفاهیم علمی آن آگاهی نداشتند. در این مقاله با تهویه آسمان همراه باشید تا تعریف دما و گرما را برای شما شرح دهیم.

دما چیست؟

دمای یک جسم نشانه‌ای از سرعت متوسط مولکول‌های تشکیل دهنده آن است. وقتی به جسمی گرما (انرژی) می‌دهیم سرعت مولکول‌ها و انرژی جنبشی داخلی آن افزایش می‌یابد. این افزایش به صورت افزایش دما خود را نشان می‌دهد. برعکس، گرفتن گرما از جسم سرعت مولکول‌ها کمتر شده و در نتیجه دمای جسم کاهش نیز می‌یابد.

دما کمیت اندازه‌گیری میزان گرمی یا سردی یک جسم است. با لمس کردن و احساس، گرمی آتش یا سردی باد زمستانی را متوجه می‌شویم. قرن‌ها حواس بشر تنها وسیله اندازه‌گیری دما بود، ولی این احساس در افراد مختلف فرق می‌کند و از یک فصل تا فصل دیگر نیز تفاوت دارد، در نتیجه این احساس قابل اطمینان نیست و نیاز به یک مبنای قابل اطمینان‌تر می‌باشد. به همین دلیل دانشمندان وسیله و مقیاسی مشخص برای اندازه‌گیری دما ارائه کردند که در ادامه به بررسی آن‌ها خواهیم پرداخت.

وسیله اندازه گیری دما چیست؟

اندازه‌گیری دقیق دما برحسب درجه توسط دستگاه‌های معروف به دماسنج یا ترمومتر صورت می‌گیرد. اما دماسنج چیست؟ دماسنج یا ترمومتر (به فرانسوی: Thermomètre) وسیله‌ای است که دما را اندازه‌گیری می‌کند. هر دماسنجی دارای دو عنصر مهم است: عنصر اول یک سنسور دما است که با تغییر دما در آن تغییراتی ایجاد می‌شود و عنصر دوم روشی برای نمایش این تغییرات به صورت یک مقدار عددی است.

مقیاس یا واحد اندازه گیری دما چیست؟

دو مقیاس اصلی اندازه‌گیری دما عبارت است از فارنهایت و سلسیوس.

فارنهایت چیست؟

در حدود سال 1715 میلادی، دانشمند آلمانی به نام فارنهایت (Fahrenheit) مقیاس دمایی را به نام خود عرضه کرد. دماسنج‌ها به درجه‌بندی فارنهایت انواع مختلفی دارند. مقیاس فارنهایت براساس دو نقطه ثابت شکل می‌گیرد که برای تعیین آن نقاط آب خالص در فشار جو استفاده می‌شود. درجه‌های 32 و 212 به ترتیب به دماهای انجماد و جوش آب اختصاص داده شد و همچنین دمای استاندارد بدن انسان برابر 98.6 درجه فارنهایت تعیین شد. بنابراین 180 درجه فارنهایت اختلاف دمای نقطه جوش و نقطه انجماد آب است. این مقیاس دمایی به بیشتر از نقطه جوش و کمتر از نقطه انجماد آب نیز ادامه پیدا می‌کند تا دماهای بالاتر و پایین‌تر نیز قابل اندازه‌گیری باشند.

در حال حاضر تقریباً تمام کشورها استفاده از درجه فارنهایت را کنار گذاشته و به سلسیوس روی آوردند تا سهمی در استانداردسازی مقیاس‌ها داشته باشند. ایالات متحده آمریکا یکی از معدود کشورهایی است که هنوز هم به استفاده از این مقیاس قدیمی دما ادامه می‌دهد. طرفداران این درجه‌بندی اعتقاد دارند، فارنهایت مقیاسی است که بدن انسان قادر به تشخیص هر یک درجه آن است.

سلسیوس یا سانتی گراد چیست؟

دومین مقیاس دمایی که در بسیاری از نقاط دنیا به کار می‌رود، سلسیوس (Celsius) یا سانتی‌گراد (Centigrade) نام دارد. در این مقیاس دمایی نیز دو نقطه ثابت یعنی نقطه جوش آب خالص و نقطه انجماد آب خالص را در فشار جو در نظر می‌گیرند و بین آن دو را به 100 درجه مساوی تقسیم می‌کنند. مزیت مقیاس سانتی‌گراد تقسیم‌بندی ده دهی آن است که کاربرد آن را در بسیاری از زمینه‌ها آسان‌تر می‌کند و در نتیجه گرایش جهانی در جهت استفاده از این مقیاس است.

آیا سلسیوس همان سانتیگراد است؟ بله، در گذشته از مقیاس سانتی گراد استفاده می‌شد اما از آنجایی که سانتیگراد در زبان‌هایی مانند فرانسوی و اسپانیایی نام یکای اندازه‌گیری زاویه بود و در دیگر زبان‌ها هم مفهوم‌های همانندی را یادآوری می‌کرد، تصمیم به تغییر آن به سلسیوس گرفته شد. در نهمین کنفرانس بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها در سال ۱۹۴۸ به‌طور رسمی نماد دما بر حسب سلسیوس به شکل C° پذیرفته شد. علامت سانتی گراد نیز با همین نماد نشان داده می‌شود. پس در پاسخ به سوال تفاوت سانتیگراد و سلسیوس باید گفت که هیچ تفاوتی بین این دو وجود ندارد.

مقایسه فارنهایت و سانتیگراد

در بعضی مواقع نیاز داریم که این مقیاس‌ها را به یکدیگر تبدیل نماییم. باید توجه داشت که چون 100 درجه سانتیگراد نشانگر 180 درجه فارنهایت است، پس 1.8 درجه فارنهایت (F°) برابر است با 1 درجه سانتی‌گراد (C°).

دمای هوا

منظور از دمای هوا، متوسط زمانی و مکانی دمای هوای اطراف شخص می‌باشد. متوسط مکانی، یعنی متوسط دمای هوا در اطراف مچ پا، دور کمر و سر است که در حالت نشسته و ایستاده متفاوت خواهد بود. متوسط زمانی، برپایه بازه‌های زمانی سه دقیقه‌ای در حداقل 18 زمان با فواصل یکسان می‌باشد. به این دما اصطلاحاً دمای حباب خشک (Dry-bulb temperature) هم می‌گویند.

میانگین دمای تابشی

این دما مرتبط با میزان حرارت منتقل شده ناشی از تابش از یک سطح است که وابسته به قابلیت مواد در جذب و نشر (یا تشعشع) حرارت است. این دما وابسته به دما و تشعشع سطوح اطراف و سطوحی که توسط شیء مورد نظر دیده می‌شوند، می‌باشد. گرمای تشعشعی (Radiant heat) به گرمایی گفته می‌شود که از طریق امواج الکترومغناطیسی از یک جسم گرم به یک جسم سرد منتقل می‌شود بدون اینکه این گرما برای انتقال به وجود اجسام و محیط میانی محتاج باشد مانند تابش خورشید. در یک محیط شاید دیوارها، زمین و سقف در دمایی نزدیک به دمای اتاق باشند. در این حالت دمای تشعشعی ثابت و برابر با دمای اتاق است، یا به عبارتی انتقال حرارت بین اجسام صورت نمی‌گیرد.

دمای موثر چیست؟ دمای موثر متوسط دمای تابشی و دمای حباب خشک است.

سرعت هوا

نحوه وزش هوا و میزان سرعت و جهت آن در زمان وزیدن به بدن انسان باعث ایجاد سطوح متفاوتی از رضایتمندی می‌شود. پس تاثیر باد بر منطقه آسایش بسیار مهم است. چرا که جهت وزش هوا بر قسمت‌های مختلف بدن باعث ایجاد احساس‌های متفاوتی در انسان می‌شود. سرعت بالاتر هوا احساس خنکی بیشتری را برای فرد به همراه دارد. جریان هوای سرد اگر سرعتی بیشتر از دو دهم متر بر ثانیه داشته باشد، ممکن است برای ساکنان ناراحت کننده باشد. این حالت برای سر و پا که معمولاً پوشش کمتری برای آن‌ها در نظر می‌گیرند، بیشتر رخ می‌دهد.

گرما چیست؟

فیلسوفان دنیای قدیم بر این باور بودند که گرما یک نوع سیال نامرئی است که از جسم گرم به جسم سرد انتقال پیدا می‌کند. آن‌ها این سیال را کالریک می‌نامیدند. در ادامه و در زمان رابرت بویل و نیوتن مفهوم گرما به عنوان انرژی درون مولکول شکل گرفت. آزمایش‌های کلاسیک بنجامین تامپسون را اغلب اولین شاهد قطعی در تایید این نظریه می‌دانند که گرما در واقع انرژی ناشی از حرکت مولکول‌ها، اتم‌ها و ذرات زیراتمی است.

تامپسون در سال 1975 میلادی، سرپرست یک کارخانه اسلحه‌سازی در آلمان بود و سوراخ‌کاری لوله‌های توپ بود که زیر نظر او انجام می‌گرفت. او به مشاهده و اندازه‌گیری گرمای زیاد حاصل از عملیات سوراخ‌کاری علاقه‌مند شد. آب برای خنک‌کاری مته‌ها استفاده می‌شد و نکته مهم که تامپسون متوجه شد آن بود که تا وقتی که کار مکانیکی بر روی مته‌ها انجام می‌گیرد، گرما تولید می‌شود. این نکته به یک منبع تمام نشدنی کالریک درونی میله توپ اشاره داشت. نتیجه‌گیری که تامپسون پوچی آن را در مقالات مختلفی که به جوامع علمی اروپا عرضه کرد، بیان داشت. طی همین مقالات، این نظریه که گرما صورتی از انرژی است، برای اولین بار مطرح شد. دانشمندان دیگری نظیر ژول (Joule)، فارادی (Faraday) و ماکسول (Maxwell) داده‌های تجربی در تایید نظریه تامپسون عرضه کردند. مفهوم قدیمی گرما به عنوان یک سیال اسرارآمیز طرد شد و نگرش جدیدی از گرما به عنوان انرژی جنبشی مولکول‌ها جای آن را گرفت. این مفهوم را اغلب فرضیه جنبشی یا کینتیک مولکولی می‌نامند.

مولکول و گرما

براساس نظریه مولکولی مواد، هر یک از عناصر و ترکیبات شامل جامدات، مایعات و گازها، از میلیون‌ها ذره کوچک میکروسکپی به نام مولکول (Molecule) تشکیل شده‌اند. هر مولکول معرف کوچکترین جزء یک ماده است که تمام خواص آن را دارد. طبق این نظریه اندازه مولکول‌ها و فاصله بین آن‌ها چنان است که فاصله بین مولکول‌ها در گازها معمولاً چندین برابر قطر یک مولکول است. مولکول‌ها از ذرات کوچک‌تری به نام اتم (Atom) تشکیل شده‌اند و اتم‌ها نیز از ذرات بنیادی تشکیل می‌شوند که از جمله شامل پروتون‌ها، الکترون‌ها و نوترون‌ها هستند.

در دماهای عادی، مولکول‌ها حرکت ثابتی دارند ولی سرعت حرکت آن‌ها با یکدیگر متفاوت است و در نتیجه انرژی آن‌ها با هم تفاوت دارد. بدیهی است که برخوردهای زیادی بین مولکول‌ها رخ می‌دهد که باعث تغییر پیوسته سرعت آن‌ها می‌شود. بنابراین هرگونه کاهش سرعت (انرژی) یکی از مولکول‌های برخورد کننده با افزایش سرعت (انرژی) مولکول دیگر همراه است. کل انرژی موجود در یک جسم را می‌توان مجموع انرژی‌های تمام مولکول‌های آن از جمله انرژی داخل آن‌ها که ناشی از چرخش یا نوسان اتم‌ها و الکترون‌هاست، و نیز انرژی پتانسیل حاصل از نیروهای پیوند بین اتم‌ها در نظر گرفت. چون انرژی هر مولکول بستگی زیادی به سرعت آن دارد، بنابراین کل انرژی موجود در یک جسم، بستگی به کل جرم آن و متوسط سرعت مولکولی آن جسم خواهد داشت.