كيف يقيس ميزان الحرارة درجة حرارة الهواء؟

كم هو دافئ في الخارج؟ كم سيكون الجو بارد الليلة؟ مقياس حرارة - أداة تستخدم لقياس الهواء درجة الحرارة- يخبرنا هذا بسهولة ، ولكن كيف يخبرنا هو سؤال آخر تمامًا.

لفهم كيفية عمل مقياس الحرارة ، نحتاج إلى مراعاة شيء واحد من الفيزياء: أن السائل يتوسع فيه الحجم (مقدار المساحة التي تشغلها) عندما ترتفع درجة حرارته وينخفض ​​حجمه عند درجة حرارته يبرد.

عندما يتعرض الترمومتر الجوفإن درجة حرارة الهواء المحيط سوف تتخللها ، مما يؤدي في النهاية إلى موازنة درجة حرارة جهاز قياس الحرارة مع درجة حرارة خاصة به الاسم العلمي الفاخر هو "التوازن الديناميكي الحراري". إذا كان ميزان الحرارة وداخله سائلًا يجب أن يسخن للوصول إلى هذا التوازن ، السائل (الذي سيشغل مساحة أكبر عند تسخينه) سيرتفع لأنه محاصر داخل أنبوب ضيق وليس له مكان يذهب إليه ولكن ما يصل. وبالمثل ، إذا كان سائل مقياس الحرارة يجب أن يبرد للوصول إلى درجة حرارة الهواء ، فسوف يتقلص حجم السائل ويخفض الأنبوب. بمجرد أن توازن درجة حرارة جهاز قياس درجة حرارة الهواء المحيط ، سيتوقف سائله عن الحركة.

إن الارتفاع والسقوط المادي للسائل داخل مقياس الحرارة ليس سوى جزء مما يجعله يعمل. نعم ، يخبرك هذا الإجراء بحدوث تغيير في درجة الحرارة ، ولكن بدون مقياس رقمي لتحديده ، لن تتمكن من قياس ما هو تغير درجة الحرارة. بهذه الطريقة ، تلعب درجات الحرارة المرفقة بزجاج مقياس الحرارة دورًا رئيسيًا (وإن كان سلبيًا).

عندما يتعلق الأمر بمسألة من اخترع مقياس الحرارة ، فإن قائمة الأسماء لا حصر لها. ذلك لأن مقياس الحرارة تطور من مجموعة من الأفكار من القرن السادس عشر إلى القرن الثامن عشر ، بدءًا من أواخر القرن السادس عشر عندما جاليليو جاليلي طور جهازًا باستخدام أنبوب زجاجي مملوء بالماء مع عوامات زجاجية مرجحة تطفو عاليا في الأنبوب أو الحوض اعتمادًا على سخونة أو برودة الهواء الخارج منه (نوعًا ما مثل الحمم البركانية مصباح). كان اختراعه أول "منظار حراري" في العالم.

في أوائل القرن السابع عشر ، عالم البندقية وصديق له جاليليوأضاف سانتوريو مقياسًا إلى منظار جاليليو الحراري بحيث يمكن تفسير قيمة تغير درجة الحرارة. من خلال ذلك ، اخترع أول مقياس حرارة بدائي في العالم. لم يتخذ مقياس الحرارة الشكل الذي نستخدمه اليوم حتى أعاد تصميمه فرديناندو دي دي ميديشي على شكل أنبوب مغلق يحتوي على لمبة وجذع (ومليء بالكحول) في منتصف القرن السابع عشر. أخيرًا ، في عشرينيات القرن التاسع عشر ، فهرنهايت أخذ هذا التصميم و "أحسنه" عندما بدأ في استخدام الزئبق (بدلاً من الكحول أو الماء) وربط مقياس درجة حرارته إليه. باستخدام الزئبق (الذي يحتوي على نقطة تجمد أقل والتي يكون توسعها وتقلصها أكثر وضوحًا من الماء أو الكحول) ، سمح مقياس حرارة فهرنهايت بملاحظة درجات الحرارة أقل من التجمد وقياسات أكثر دقة ملاحظ. وهكذا ، تم قبول نموذج فهرنهايت كأفضل.

بما في ذلك ميزان الحرارة الزجاجي فهرنهايت ، هناك 4 أنواع رئيسية من موازين الحرارة المستخدمة لقياس درجات حرارة الهواء:

سائل في الزجاج. أيضا يسمى ترمومتر المصباح، لا تزال تستخدم موازين الحرارة الأساسية هذه في محطات الطقس Stevenson Screen على الصعيد الوطني من قبل خدمة الطقس الوطنية مراقبو الطقس التعاوني عند أخذ أقصى درجات الحرارة اليومية والدنيا. إنها مصنوعة من أنبوب زجاجي ("الجذع") مع حجرة مستديرة ("اللمبة") في أحد طرفيه تحتوي على السائل المستخدم لقياس درجة الحرارة. مع تغير درجة الحرارة ، يتسع حجم السائل ، مما يؤدي إلى صعوده إلى الجذع ؛ أو العقود ، مما يجبرها على الانكماش مرة أخرى من الجذع نحو المصباح.

أكره مدى هشاشة موازين الحرارة القديمة هذه؟ زجاجهم مصنوع في الواقع رقيقًا جدًا عن قصد. كلما كان الزجاج أرق ، كلما قل وجود المادة للحرارة أو البرودة ، وكلما استجاب السائل لتلك الحرارة أو البرودة بشكل أسرع ، أي أن التأخر أقل.

ثنائية المعدن أو الربيع. مقياس الحرارة الهاتفي المركب على منزلك أو الحظيرة أو في الفناء الخلفي الخاص بك هو نوع من مقياس الحرارة ثنائي المعدن. (تعد موازين الحرارة الخاصة بالفرن والثلاجة وترموستات الفرن أمثلة أخرى أيضًا.) شريط من معدنين مختلفين (عادة الفولاذ والنحاس) والتي تتوسع بمعدلات مختلفة للإحساس درجات الحرارة. يجبر معدلا التمدد المختلفان للمعادن الشريط على الانحناء بطريقة واحدة إذا تم تسخينه فوق درجة حرارته الأولية ، وفي الاتجاه المعاكس إذا تم تبريده تحته. يمكن تحديد درجة الحرارة بمقدار انحناء الشريط / الملف.

الحرارية. موازين الحرارة الكهربائية هي أجهزة رقمية تستخدم مستشعرًا إلكترونيًا (يسمى "الثرمستور") لتوليد الجهد الكهربائي. مع انتقال التيار الكهربائي على طول السلك ، ستتغير مقاومته الكهربائية مع تغير درجة الحرارة. من خلال قياس هذا التغيير في المقاومة يمكن حساب درجة الحرارة.

على عكس الزجاج وأبناء عمومته من المعدن ، فإن موازين الحرارة الكهروحرارية وعرة ، وتستجيب بسرعة ، ولا تحتاج إلى أن تقرأها عيون الإنسان ، مما يجعلها مثالية للاستخدام الآلي. هذا هو السبب في أنها مقياس الحرارة المفضل لمحطات الطقس الآلية في المطارات. (تستخدم خدمة الأرصاد الجوية الوطنية بيانات من محطات AWOS و ASOS لإحضار درجات الحرارة المحلية الحالية.) تستخدم محطات الطقس الشخصية اللاسلكية أيضًا تقنية الكهروحرارية.

الأشعة تحت الحمراء. موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء قادرة على قياس درجة الحرارة عن بعد من خلال الكشف عن مقدار الطاقة الحرارية (في الطول غير المرئي للأشعة تحت الحمراء من طيف الضوء) جسم يعطيه ويحسب درجة حرارة من عليه. صور الأشعة تحت الحمراء (IR)—التي تظهر أعلى وأبرد سحاب على أنه أبيض ساطع ، وسحب منخفضة دافئة مثل الرمادي ، يمكن اعتباره نوعًا من مقياس الحرارة السحابي.

الآن بعد أن عرفت كيف يعمل مقياس الحرارة ، شاهده عن كثب في هذه الأوقات كل يوم لمعرفة ما ستكون عليه درجات الحرارة الأعلى والأدنى.

• سريفاستافا ، جيان ب. أدوات الأرصاد الجوية السطحية وممارسات القياس. نيودلهي: المحيط الأطلسي ، 2008.