تاریخچه دماسنج؛ دانیال فارنهایت و آندرس سلسیوس چگونه مقیاس‌های خود را ساختند؟

پیدایش ترموسکوپ و گام‌های گالیله

در اواخر قرن شانزدهم، گالیلئو گالیله (Galileo Galilei) دستگاهی به نام ترموسکوپ (Thermoscope) ساخت که از تغییر حجم هوا در اثر گرما و سرما برای جابه‌جایی ستونی از آب استفاده می‌کرد. این ابزار اگرچه پیشرفتی انقلابی بود اما یک ایراد ساختاری بزرگ داشت: فشار هوای اتمسفر مستقیماً روی سطح مایع اثر می‌گذاشت و باعث می‌شد تغییرات فشار هوا با تغییرات دما اشتباه گرفته شود. ترموسکوپ فاقد یک مقیاس عددی مشخص و استاندارد بود و بیشتر جنبه نمایشی برای اثبات انبساط گازها داشت.

دانشمندان بعدی تلاش کردند با بستن انتهای لوله و استفاده از الکل به جای آب، اثر فشار هوا را حذف کنند. این ابزارها که به دماسنج‌های فلورانسی معروف شدند، گامی بزرگ به سوی ثبت دقیق‌تر وضعیت دما بودند اما همچنان عدم هماهنگی در ساخت لوله‌های شیشه‌ای و نبودِ یک فرمول کالیبراسیون واحد مانع از آن می‌شد که دو دماسنج در شرایط یکسان عددی واحد را نشان دهند.

ورود جیوه به صحنه سنجش حرارت

استفاده از الکل در دماسنج‌های اولیه رایج بود اما الکل در دماهای بالا به سرعت تبخیر می‌شد و دقت لازم را برای اندازه‌گیری‌های حساس علمی نداشت. فیزیک‌دانان به دنبال مایعی بودند که ضریب انبساط منظم‌تری داشته باشد و در بازه وسیع‌تری از دما به شکل مایع باقی بماند تا نتایج پایدارتری حاصل شود. جیوه (Mercury) به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی‌اش، از جمله عدم چسبیدن به دیواره شیشه و رسانایی گرمایی بالا، به عنوان بهترین گزینه مطرح شد. استفاده از جیوه نیازمند تکنولوژی پیشرفته‌تری در ساخت شیشه‌های بسیار نازک و یکنواخت بود تا بتواند تغییرات جزئی حجم را به درستی نشان دهد.

دانیال گابریل فارنهایت و ابداع مقیاس انقلابی

دانیال گابریل فارنهایت (Daniel Gabriel Fahrenheit) فیزیک‌دان لهستانی‌تبار آلمانی، با بهبود تکنیک‌های شیشه‌گری توانست دماسنج‌های جیوه‌ای با دقت بی‌سابقه‌ای بسازد. او دریافت که برای داشتن دماسنج‌های همسان، نیاز به نقاط مرجع ثابت و بازتولیدپذیر است که در همه جای دنیا یکسان عمل کنند.

فارنهایت مقیاس خود را با تعیین سه نقطه مرجع حرارتی پایه‌گذاری کرد تا محاسبات ریاضی آن دقیق و بخش‌پذیر بر اعداد زوج باشد. او با تکیه بر مهارت فنی بالای خود در تصفیه جیوه، ابزارهایی ساخت که برای نخستین بار در تاریخ علم، دانشمندان مختلف در نقاط گوناگون جهان می‌توانستند با آن‌ها داده‌های حرارتی قابل مقایسه ثبت کنند.

فلسفه انتخاب نقاط مرجع در مقیاس فارنهایت

فارنهایت برای نقطه صفر مقیاس خود، از دمای مخلوطی مساوی از آب، یخ و نمک آمونیوم کلرید استفاده کرد که سردترین دمای قابل بازتولید در آزمایشگاه زمان او بود. نقطه مرجع دوم او دمای مخلوط آب و یخ در حال ذوب بدون نمک بود که عدد ۳۲ را به آن اختصاص داد و نقطه سوم نیز دمای بدن انسان سالم بود که آن را حدود ۹۶ تعیین کرد. بعدها با دقیق‌تر شدن ابزارها، نقطه جوش آب در این مقیاس روی عدد ۲۱۲ تنظیم شد که فاصله آن با نقطه انجماد دقیقاً ۱۸۰ درجه است. این تقسیم‌بندی هندسی به فارنهایت اجازه داد تا درجات دماسنج خود را با تقسیمات متوالی بر دو کالیبره کند که در آن زمان روشی بسیار ساده و کم‌خطا برای مدرج‌سازی شیشه‌ها به شمار می‌رفت.

آندرس سلسیوس و ایده مقیاس صدقسمتی معکوس

آندرس سلسیوس (Anders Celsius) اخترشناس سوئدی، به دنبال مقیاسی ساده‌تر و علمی‌تر بر پایه سیستم دهدهی بود که با استانداردهای اندازه‌گیری متریک همخوانی داشته باشد. او در سال ۱۷۴۲ میلادی مقیاسی را پیشنهاد کرد که بر اساس دو نقطه فیزیکی بسیار پایدار یعنی دمای ذوب یخ و دمای جوش آب کالیبره می‌شد.

نکته عجیب در طراحی اولیه سلسیوس این بود که او نقطه جوش آب را صفر و نقطه انجماد یخ را ۱۰۰ قرار داده بود تا از اعداد منفی در دماهای زیر صفر زمستان‌های سوئد جلوگیری کند.

این سیستم معکوس اگرچه در ابتدا برای ثبت مشاهدات هواشناسی سلسیوس کارآمد بود، اما برای کارهای آزمایشگاهی و عمومی چندان حسی و طبیعی به نظر نمی‌رسید و نیاز به اصلاح داشت.

تغییر بزرگ: چگونه مقیاس سلسیوس وارونه شد؟

پس از درگذشت آندرس سلسیوس، دانشمندان برجسته‌ای چون کارل لینه (Carl Linnaeus) گیاه‌شناس معروف سوئدی، پیشنهاد کردند که جهت مقیاس تغییر کند تا صفر نشان‌دهنده نقطه انجماد و ۱۰۰ نشان‌دهنده نقطه جوش آب باشد. این تغییر هوشمندانه باعث شد مقیاس سلسیوس به شدت منطقی‌تر شود و با ذهنیت عمومی جامعه علمی هماهنگی پیدا کند. سیستم جدید که ابتدا مقیاس صدقسمتی (Centigrade) نامیده می‌شد، به دلیل سادگی بی‌نظیر در محاسبات ریاضی و انطباق با سیستم متریک، به سرعت در سراسر اروپا گسترش یافت و بعدها به افتخار طراح اولیه‌اش به نام سلسیوس تغییر نام داد.

نقاط قوت و ضعف هر دو سیستم اندازه‌گیری

هر دو مقیاس فارنهایت و سلسیوس نقاط قوت خاص خود را دارند؛ فارنهایت به دلیل داشتن فواصل کوچک‌تر بین درجات، دقت بالاتری در گزارش تغییرات دمای روزمره بدون نیاز به استفاده از اعداد اعشاری ارائه می‌دهد که برای هواشناسی عمومی بسیار مناسب است. از سوی دیگر، مقیاس سلسیوس به دلیل هماهنگی کامل با فرمول‌های فیزیکی و شیمیایی و ارتباط ساده با دیگر واحدهای متریک، انتخاب اول مجامع علمی جهان است. ضعف فارنهایت در پیچیدگی فرمول‌های تبدیل آن به دیگر مقیاس‌های انرژی است، در حالی که سلسیوس به دلیل فواصل بزرگ‌تر درجاتش، در سنجش‌های بسیار دقیق هواشناسی گاهی نیازمند اعشار است.

تاثیرات فرهنگی و جغرافیایی بر پذیرش مقیاس‌ها

پذیرش این دو مقیاس در جهان پیوند عمیقی با مسائل سیاسی و استعماری پیدا کرد؛ بریتانیا و مستعمراتش در قرن نوزدهم به طور گسترده از سیستم فارنهایت استفاده می‌کردند و این سیستم به بخشی از فرهنگ صنعتی آن‌ها تبدیل شد.

با این حال، در اواسط قرن بیستم، اکثر کشورهای جهان به منظور یکپارچه‌سازی سیستم‌های اندازه‌گیری خود به سیستم متریک و مقیاس سلسیوس روی آوردند و امروزه تنها ایالات متحده آمریکا و چند کشور معدود همچنان سیستم فارنهایت را برای مصارف روزمره خود حفظ کرده‌اند.

دقت ابزارها و چالش‌های کالیبراسیون در قرن هجدهم

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های دانشمندان قرن هجدهم، یکنواخت نبودن قطر داخلی لوله‌های مویین شیشه‌ای بود که باعث می‌شد حرکت جیوه در بخش‌های مختلف لوله سرعت متفاوتی داشته باشد. فارنهایت با ابداع روش‌های خاص برای سنجش یکنواختی لوله پیش از پر کردن آن با جیوه، توانست این خطای ساختاری را به حداقل برساند و استاندارد کالیبراسیون را تعریف کند. این تلاش‌ها راه را برای تعریف دقیق‌تر ترمودینامیک هموار کرد و نشان داد که اندازه‌گیری دما فراتر از یک حس ساده، نیازمند متغیرهای فیزیکی پایدار است.

تکامل دماسنج‌های مدرن از مایع به دیجیتال

با پیشرفت علم فیزیک حالت جامد و الکترونیک، دماسنج‌های جیوه‌ای جای خود را به حسگرهای حرارتی نیمه‌رسانا و ترموکوپل‌ها (Thermocouples) دادند که با اندازه‌گیری تغییر مقاومت الکتریکی کار می‌کنند. دماسنج‌های دیجیتال امروزی بسیار سریع‌تر و ایمن‌تر از نمونه‌های جیوه‌ای قدیمی هستند و خطرات ناشی از شکستن شیشه و نشت جیوه سمی را به طور کامل از بین برده‌اند.

همچنین دماسنج‌های مادون قرمز که تابش حرارتی اجسام را بدون تماس فیزیکی اندازه‌گیری می‌کنند، تکنولوژی سنجش دما را در صنایع پزشکی و نظامی به سطحی کاملاً جدید و شگفت‌انگیز رسانده‌اند.

چرا مقیاس‌های قدیمی هنوز زنده هستند؟

با وجود تعریف مقیاس مطلق کلوین (Kelvin) در علم فیزیک، سلسیوس و فارنهایت به دلیل پیوند عمیق با زندگی روزمره انسان‌ها همچنان کاربرد گسترده‌ای دارند. تغییر سیستم اندازه‌گیری در کشورهایی مثل آمریکا نیازمند هزینه‌های سنگین آموزش عمومی و تغییر ساختار تمام صنایع است که توجیه اقتصادی ندارد. از این رو، میراث فکری دانیال فارنهایت و آندرس سلسیوس پس از گذشت قرن‌ها، همچنان در خانه‌ها، آزمایشگاه‌ها و ایستگاه‌های هواشناسی سراسر جهان به بقای خود ادامه می‌دهد.

سوالات متداول