دما

دما یکی از ویژگی‌های ماده است که میزان گرمی آن را نشان می‌دهد و جهت جریان گرما را مشخص می‌کند. اگر دو جسم دارای دمای متفاوت باشند، انرژی گرمایی از جسم با دمای بیشتر به جسم با دمای کمتر منتقل می‌شود تا هنگامی که دمای دو جسم به تعادل برسد.
باید توجه کرد که ممکن است در این جابه جایی گرمایی، جسم دارای دمای بیشتر، مجموع انرژی گرمایی کمتری داشته باشد، اما باز هم انرژی گرمایی از دست بدهد و جسم دارای دمای کمتر مجموع انرژی گرمایی بیشتری داشته باشد، اما باز هم انرژی گرمایی دریافت کند.
یکاهای گوناگونی برای اندازه‌گیری دما تعریف شده‌اند. در دستگاه بین‌المللی از یکای کلوین استفاده می‌شود؛ ولی یکاهای دیگری مانند سلسیوس و فارنهایت نیز برای اندازه‌گیری دما به کار می‌روند.
اندازه‌گیری دما با استفاده از دماسنج انجام می‌شود. انواع مختلف دماسنج وجود دارند که از روش‌های گوناگون برای اندازه‌گیری دما استفاده می‌کنند. برای نمونه، اندازه‌گیری دما در دماسنج جیوه‌ای با بهره‌گیری از ویژگی انبساط گرمایی جیوه انجام می‌شود.
تغییر دمای یک جسم یا یک محیط مادی با فرایند تبدیل انرژی انجام می‌شود. برای نمونه، اتلاف انرژی مکانیکی در اثر اصطکاک منجر به افزایش دما می‌شود. از سوی دیگر، سرد کردن گازها با انبساط گاز (که انرژی گرمایی به کار تبدیل می‌شود) انجام می‌شود.
علم ترمودینامیک، به مطالعه فرایندهای مربوط به تغییرات دما می‌پردازد.
تعریف
دما یک ویژگی هر ماده است که وابسته به انرژی گرمایی آن ماده می‌باشد. هر چه انرژی گرمایی ماده‌ای افزایش یابد، دمای آن نیز افزایش پیدا می‌کند. دما به عنوان میزان گرم بودن یک ماده تعریف می‌شود. به بیان دیگر، میان دو ماده با دمای متفاوت، ماده‌ای که گرمای بیشتری داشته‌باشد، دمای آن نیز بالاتر است. برای اندازه‌گیری دمای مواد، یکاهای مختلفی تعریف می‌شوند.
یکاهای اندازه‌گیری
یکاهای گوناگونی برای اندازه‌گیری دما تعریف شده‌اند. تفاوت یکاهای مختلف، در دو عامل نقطه صفر یکا و نرخ تغییر واحد یا درجه هر یکا است.
سلسیوس
یکای سلسیوس که به افتخار آندرش سلسیوس نام‌گذاری شده و با نماد C° نشان داده می‌شود، متداول‌ترین یکای مورد استفاده در حال حاضر است. این یکا پیشتر با نام سانتی‌گراد شناخته می‌شد که ترکیب دو واژه سانتی (به معنی صد) و گراد (به معنی درجه) است. مبنای این یکا، نقطه ذوب و جوش آب هستند. نقطه ذوب آب برابر دمای صفر درجه و نقطه جوش آن برابر دمای صد درجه سانتی‌گراد تعریف شده‌است.
فارنهایت
فارنهایت با نماد F°، یکای دیگری برای اندازه‌گیری دما است که در گذشته، در بسیاری از کشورها به کار گرفته می‌شد و اکنون در کشورهای اندکی از جمله ایالات متحده آمریکا همچنان به عنوان یکای اصلی اندازه‌گیری دما به کار می‌رود. نقطه صفری که گابریل دنیل فارنهایت انتخاب کرد عبارت بود از دمای تعادل گرمایی مخلوطی با نسبت برابر از یخ، آب و آمونیوم کلرید (که مقدار آن برابر ۱۷٫۷۸- سلسیوس است). هم‌چنین دو نقطه مرجع دیگر را دمای تعادل گرمایی مخلوط آب و یخ (دمای صفر درجه سلسیوس) به معادل ۳۲ فارنهایت و دمای بدن انسان معادل ۹۶ فارنهایت در نظر گرفت. فارنهایت دریافت که دمای جوش آب با این یکا برابر ۲۱۲ درجه است.
کلوین
یکای اصلی سیستم متریک، کلوین با نماد K است و یکای مطلق دما نامیده می‌شود. زیرا نقطه صفر آن، صفر مطلق است و دمایی پایین‌تر از آن وجود ندارد. به عبارت دیگر، در صفر کلوین هیچ گرمایی وجود ندارد و ذرات ماده از حرکت (که نشان دهنده میزان انرژی گرمایی ذره است) بازمی‌ایستند. نرخ تغییرات کلوین، معادل با درجه سلسیوس است و صفر آن برابر ۲۷۳٫۱۵- درجه سلسیوس می‌باشد. برخلاف دو یکای سلسیوس و فارنهایت که با درجه(°)مشخص میشوند، یکای کلوین فقط به صرف گفتن کلوین مشخص میشود. برای مثال 273 "کلوین" معادل با 0 "درجه سلسیوس" میباشد.
روابط میان یکاهای مختلف اندازه‌گیری دما
رابطه‌های زیر میان یکاهای متداول اندازه‌گیری دما وجود دارد:
K = °C + ۲۷۳٫۱۵
F= ۱٫۸ °C + ۳۲ °
رویکرد ترمودینامیکی به دما
از نظر ترمودینامیکی، یکاهای اندازه‌گیری دما به دو دسته تقسیم می‌شوند:
مقیاس‌های تجربی
بسیاری از مقیاس‌های اندازه‌گیری دما، به صورت تجربی و بر اساس اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی مواد، تعریف شده‌اند. برای نمونه، ارتفاع ستون جیوه در یک محفظه شیشه‌ای وابسته به دما است و این مطلب، پایه کاربرد دماسنج جیوه‌ای است. چنین ویژگی‌هایی دارای محدودیت هستند. برای نمونه، دماسنج جیوه‌ای نمی‌تواند دماهای بالاتر از نقطه جوش و پایین‌تر از نقطه ذوب جیوه را نشان دهد. زیرا در چنین دماهایی گذار فاز جیوه رخ می‌دهد. هم‌چنین در بعضی از مواد، با افزایش دما به جای افزایش حجم، کاهش حجم انجام می‌شود.
مقیاس‌های نظری
مقیاس‌های نظری بر پایه پارامترهای نظری از جمله ترمودینامیک و مکانیک کوانتوم تعریف می‌شوند. در این مقیاس‌ها از ویژگی مواد و تجهیزات ایده‌آل استفاده می‌شود. برای نمونه، یکای استاندارد دما بر پایه فرایند چرخه ایده‌آل ماشین گرمایی کارنو است.
ماده ایده‌آلی که می‌تواند برای تعریف مقیاس‌های دما به کار رود، گاز کامل است. فشار یک توده گاز کامل با حجم و جرم ثابت، نسبت مستقیمی با دمای آن دارد. برخی از گازهای طبیعی در دمای معمول، ویژگی‌هایی نزدیک به گاز کامل دارند.
اندازه‌گیری طیف تابش الکترومغناطیسی از یک جسم سیاه سه‌بعدی ایده‌آل می‌تواند مقدار دقیق دما را به دست دهد، زیرا بسامد بیشینه طیف تابیده از یک جسم سیاه، نسبت مستقیم با دمای جسم سیاه دارد.
برخی از دماهای مهم
موضوع
دما بر حسب درجه سلسیوس
۱
نقطه جوش هیدروژن مایع
۲۳۵-
۲
نقطه انجماد الکل
۱۱۶-
۳
نقطه انجماد جیوه
۳۹-
۴
نقطه جوش اکسیژن مایع
۳۲-
۵
نقطه ذوب یخ
۰
۶
دمای بدن انسان سالم
۳۷
۷
نقطه جوش الکل
۷۹
۸
نقطه جوش آب
۱۰۰
۹
نقطه جوش جیوه
۳۵۷
۱۰
نقطه ذوب طلا
۱۰۶۷
۱۱
دمای هسته زمین
۳۷۰۰
۱۲
دمای سطح خورشید
۵۷۰۰
استاندارد دما و فشار