תרמומטריה אחראית על מדידת הטמפרטורה במערכות שונות, והיא תחום של התחלות אמפיריות למדי, שכן מאז תקופת היפוקרטס, בתחום הרפואה, הייתה מודעות לטמפרטורה של גופים, באמצעות מגע, ועל פי התחושה נתפסה שהוא סווג כ"חום מתוק "או" חום בוער ". עם זאת, רק לאחר פיתוח המדחום, על ידי גלילאו גליליי, שנים לאחר מכן, כאשר תחום מחקר זה עזב את המים האמפיריים, אימץ תפקיד מדעי.
כולנו מכירים את המדחום ככלי למדידת טמפרטורת הגוף והסביבה, אך איך זה עובד? מהיכן הגיעו המאזניים התרמומטריים? אך לפני שנענה על שאלות אלה, חשוב להבהיר את מושג המשתנה שאנו מודדים, במקרה זה, את הטמפרטורה.
טמפרטורה, היחידה הבסיסית של הסולם התרמומטרי
כשאתם מכנים את המילה טמפרטורה, בוודאי חשבתם על כמות החום, אולם הדבר הראשון שיש לקחת בחשבון הוא חום אינו זהה לטמפרטורה, אם כי, כמובן, שני המשתנים קשורים זה לזה.
חום הוא כמות האנרגיה שההעברה שלה קשורה לשיפוע טמפרטורה בין שתי מערכות, מה שאומר שהטמפרטורה היא משתנה שקובע את החום, אבל זה לא החום עצמו. הטמפרטורה קשורה לאנרגיה קינטית, והיא זו שמגדירה את תנועת החלקיקים במערכת, ובמידה שיש תסיסה גדולה יותר בתנועת החלקיקים, כך יהיה העוצמה המיוצרת על ידי מה שמכונה "סולמות תרמומטריים". ”.
מדחום, הבסיס לתרמומטריה
כאמור, יוצר המדחום הראשון היה גלילאו גליליי, תכנון מכשיר זה התבסס על הרכבה של צינור זכוכית אנכי, סגור בשני קצותיו, ובו מים בהם הוטבלו כמה כדורי זכוכית סגורים, עם נוזל צבעוני. בְּתוֹך. זה אפשר לבצע את הרישומים הראשונים של שינויי טמפרטורה. הנוזל ששימש במד חום ראשון זה היה מים, אולם הוא הוחלף מאוחר יותר באלכוהול, מכיוון שמים בטמפרטורות נמוכות מאוד הגיעו לנקודת קפיאה, וכיוון שהלחץ האטמוספרי משתנה, נרשמו תנודות בגובה המים, ללא זה מרמז על שונות בטמפרטורה.
בין השנים 1611 ל- 1613. סנטוריו משלב סולם מספרי לכליו של גלילאו. עם זאת, מכשיר זה עדיין לא נתן תוצאות מדויקות, מכיוון שנוזל המדידה היה רגיש מאוד ללחץ אטמוספרי. בשנת 1714 שילב דניאל פרנהייט כספית במדידה.
השימוש בכספית ייצג התקדמות גדולה בדיוקו של המכשיר, שכן בשל מקדם ההתפשטות הגבוה שלו ניתן היה להבחין בהפרעות שנגרמו על ידי הטמפרטורה.
עקרון עבודה של מדחום
כאשר שני חלקים של מערכת באים במגע, מה שניתן לצפות הוא ששינויים מתרחשים בתכונות של שניהם, הקשורים לתופעה של העברת חום ביניהם. התנאים שיש לעמוד במערכת כדי להיות בשיווי משקל תרמי הם הבאים:
- לא אמורה להיות החלפת חום בין הצדדים המעורבים
- אף אחד מהמאפיינים התלויים בטמפרטורה לא צריך להשתנות.
המדחום פועל מתחת למערכת עקרון אפס של תרמודינמיקה, הקובע את הקשר ההדדי בין שני משתנים בשיווי המשקל התרמי. מה שאומר שכספית, כנוזל הרגיש לשינויים בטמפרטורה, כאשר נכנסים לשיווי משקל עם הגוף או המדיום, שאת ערך הטמפרטורה שאנחנו רוצים לדעת, מאמץ את ערך הטמפרטורה שלו.
פיתוח קשקשים תרמומטריים
כפי שכבר הזכרנו, איש החזון הראשון של הצורך לקבוע פרמטר מדידה במכשיר של גלילאו היה סנטוריו, שקבע סולם מספרי ללא שום חוש פיזי. עם זאת, לאירוע זה הייתה חשיבות רבה בפיתוח מה שאנו מכירים כיום מאזני התרמומטריה.
ציון רומר
רומר הוא קנה מידה המבוסס על הקפאה והרתחה של מי מלח. סולם זה נמצא כעת בשימוש, מכיוון שהוא אינו מספק תוצאות מדויקות.
סולם פרנהייט
דניאל פרנהייט היה יצרן מכשירים טכניים שחיבר את מדחום האלכוהול בשנת 1709, ולאחר מכן שנים אחר כך היה מייצר מדחום ראשון מבוסס כספית. ממציא זה ממוצא גרמני, פיתח סולם תרמומטרי שרירותי הנושא את שמו, המאפיינים את הבאים:
- אין לו ערכים שליליים, מכיוון שבאותה תקופה לא היו מושגים לגבי טמפרטורות מתחת ל -0, מסיבה זו, רתיחת המים מתרחשת ב 212 מעלות צלזיוס, וקפיאתם ב 32 מעלות צלזיוס.
- זה מדויק למדי, מכיוון שהוא מבוסס על תצפיות במד חום הכספית, חומר בעל התפשטות כמעט אחידה בטווח הטמפרטורות הזה.
- באמצעות המדחום המדויק שלו פרנהייט מדד את השונות בטמפרטורת הרתיחה של מים בתנאי לחץ סביבתי, והצליח לקבוע כי נקודת הרתיחה היא מאפיין של כל חומר נוזלי.
- השימוש בו התפשט במדינות כמו ארצות הברית ובריטניה.
סולם צלזיוס
בין סולמות תרמומטריים, זה זכה לפופולריות רבה בזמנו. הוא הומצא בשנת 1742 על ידי האסטרונום השבדי אנדרס צלסיוס, שפיתח אותו על ידי לקיחת נקודת הקפאה של המים כערך הנמוך יותר ונקודת הרתיחה שלהם כערך המקסימלי. צלסיוס ביצע סדרה של 100 חלוקות בין שתי הנקודות הללו.
בניגוד לשאר המאזניים, המאה העשרה עובדת עם 100 סיווגים, והשימוש בה הוארך למטרות ביתיות, שכן בתחום המדעי עדיף להשתמש בסולם קלווין המוחלט.
קנה מידה מוחלט
סולם זה נקרא "מוחלט", המתבונן בערך האפס המוחלט, וחשיבותו טמונה בעצם בהיבט זה, מכיוון שהוא אינו תלוי בנקודות קבועות שרירותיות, אלא מציג את הטמפרטורה כביטוי לקינטיקה מולקולרית. בנקודה בה נקבעה הפסקת התנועה המולקולרית.
חשוב לציין כי טמפרטורה זו קשורה לסולם צלזיוס, שכן שניהם מטפלים בסיום של 100.
סולם רנקין
בשנת 1859, הציע המהנדס ויליאם רנקין סולם זה, הקשור לתארים פרנהייט, מכיוון שהוא מטפל באותה סיום, אולם סולם זה שוקל נוכחות של אפס מוחלט. באנלוגיה, ניתן לומר כי יחסי קלסיוס-קלווין הם בעלי אופי זהה לפרנהייט-רנקין.
המרות בין סולמות תרמומטריים
יש חשיבות רבה לשימוש בהמרות בתחום פתרון הבעיות, הוא נקבע על ידי העובדה שאיננו יכולים לקבץ משתנים בעלי אופי שונה. ומכיוון שניתן לטפל בדיסציפלינות השונות במונחים של סולמות תרמומטריים שונים, נוצרו קשרים המאפשרים הפיכת ערכים.
- פרנהייט (ºF) - רנקין (ºR)
ºF = ºR- 460
- צלזיוס (ºC) - קלווין (ºK)
ºC = ºK- 273
- צלזיוס (ºC) - פרנהייט (ºF)
ºC = (ºF-32) / 1,8