قياس درجة الحرارة

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
مقياس حرارة طبي/سريري يُظهر درجة حرارة 38.7 درجة مئوية (101.7 درجة فهرنهايت)  

يُشير قياس درجة الحرارة (المعروف أيضًا باسم قياس الحرارة ) إلى عملية قياس درجة الحرارة الحالية لتقييمها بشكل فوري أو لاحق. ويمكن استخدام مجموعات البيانات التي تتكون من قياسات موحدة متكررة لتقييم اتجاهات درجة الحرارة.

تاريخ

كانت محاولات قياس درجة الحرارة المعيارية قبل القرن السابع عشر بدائية للغاية. فعلى سبيل المثال، في عام 170 ميلادي، قام الطبيب كلاوديوس جالينوس [ 1 ] : 18 بخلط كميات متساوية من الثلج والماء المغلي لإنشاء معيار حراري "محايد". يعود أصل المجال العلمي الحديث إلى أعمال علماء فلورنسا في القرن السابع عشر، بمن فيهم جاليليو، الذين صنعوا أجهزة قادرة على قياس التغير النسبي في درجة الحرارة، ولكنها كانت عرضة للتأثر بتغيرات الضغط الجوي. سُميت هذه الأجهزة المبكرة بالثيرموسكوبات . صُنع أول ترمومتر مُحكم الإغلاق عام 1654 على يد دوق توسكانا الأكبر، فرديناند الثاني . [ 1 ] : 19 بدأ تطوير الترمومترات ومقاييس درجة الحرارة الحالية في أوائل القرن الثامن عشر، عندما أنتج دانيال غابرييل فهرنهايت ترمومترًا ومقياسًا زئبقيًا، وكلاهما من تطوير أولي كريستنسن رومر . لا يزال مقياس فهرنهايت مستخدماً، إلى جانب مقياسي سيليزيوس وكلفن .

التقنيات

طُوِّرت العديد من الطرق لقياس درجة الحرارة. يعتمد معظمها على قياس خاصية فيزيائية لمادة عاملة تتغير بتغير درجة الحرارة. يُعدّ مقياس الحرارة الزئبقي الزجاجي من أكثر الأجهزة شيوعًا لقياس درجة الحرارة . يتكون هذا المقياس من أنبوب زجاجي مملوء بالزئبق أو سائل آخر، يعمل كسائل عامل. يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تمدد السائل، وبالتالي يمكن تحديد درجة الحرارة بقياس حجم السائل. عادةً ما تُعاير هذه المقاييس بحيث يمكن قراءة درجة الحرارة بمجرد ملاحظة مستوى السائل داخل المقياس. هناك نوع آخر من المقاييس، وإن لم يُستخدم كثيرًا في التطبيقات العملية، إلا أنه مهم من الناحية النظرية، وهو مقياس الحرارة الغازي .

تشمل الأجهزة المهمة الأخرى لقياس درجة الحرارة ما يلي:

يجب توخي الحذر عند قياس درجة الحرارة للتأكد من أن جهاز القياس (مقياس الحرارة، المزدوجة الحرارية، إلخ) يُطابق درجة حرارة المادة المراد قياسها. في بعض الحالات، قد تُسبب الحرارة المنبعثة من جهاز القياس تدرجًا حراريًا، مما يجعل درجة الحرارة المقاسة مختلفة عن درجة الحرارة الفعلية للنظام. في هذه الحالة، ستتغير درجة الحرارة المقاسة ليس فقط بتغير درجة حرارة النظام، بل أيضًا بتغير خصائص انتقال الحرارة فيه.

إن الراحة الحرارية التي يشعر بها الإنسان والحيوان والنبات لا تقتصر على درجة الحرارة الظاهرة على مقياس حرارة زجاجي. فمستويات الرطوبة النسبية في الهواء المحيط تؤثر على التبريد التبخيري، سواءً بالزيادة أو النقصان. ويُساعد قياس درجة حرارة البصيلة الرطبة على توحيد هذا التأثير. كما أن متوسط ​​درجة الحرارة الإشعاعية يؤثر على الراحة الحرارية. فعامل برودة الرياح يجعل الجو يبدو أبرد في ظروف الرياح مقارنةً بالظروف الهادئة، حتى وإن أظهر مقياس الحرارة الزجاجي نفس درجة الحرارة. ويزيد تدفق الهواء من معدل انتقال الحرارة من وإلى الجسم، مما يؤدي إلى تغير أكبر في درجة حرارة الجسم عند ثبات درجة حرارة الجو المحيط.

يستند الأساس النظري لمقاييس الحرارة إلى القانون الصفري للديناميكا الحرارية، الذي ينص على أنه إذا كان لدينا ثلاثة أجسام، أ، ب، ج، فإذا كان أ و ب عند نفس درجة الحرارة، و ب و ج عند نفس درجة الحرارة، فإن أ و ج يكونان عند نفس درجة الحرارة. ب، بالطبع، هو مقياس الحرارة.

يرتكز علم قياس الحرارة عمليًا على وجود خلايا النقطة الثلاثية . تُعرَّف النقاط الثلاثية بأنها ظروف الضغط والحجم ودرجة الحرارة التي تتواجد فيها ثلاث حالات في آنٍ واحد، مثل الحالة الصلبة والبخارية والسائلة. بالنسبة لمكون واحد، لا توجد درجات حرية عند النقطة الثلاثية، وأي تغيير في المتغيرات الثلاثة يؤدي إلى اختفاء حالة واحدة أو أكثر من حالات المادة من الخلية. لذلك، يمكن استخدام خلايا النقطة الثلاثية كمرجع عالمي لدرجة الحرارة والضغط (انظر قاعدة أطوار جيبس ).

في بعض الظروف، يصبح من الممكن قياس درجة الحرارة باستخدام قانون بلانك لإشعاع الجسم الأسود بشكل مباشر . على سبيل المثال، تم قياس درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية الميكروي من طيف الفوتونات المرصودة بواسطة أقمار صناعية مثل WMAP . وفي دراسة بلازما الكواركات والغلوونات من خلال تصادمات الأيونات الثقيلة ، تُستخدم أطياف الجسيمات المفردة أحيانًا كمقياس حرارة.

قياس درجة الحرارة غير الجراحي

خلال العقود الأخيرة، طُوّرت العديد من تقنيات قياس الحرارة. وتعتمد أكثر تقنيات قياس الحرارة غير الجراحية انتشارًا وواعدةً في مجال التقنية الحيوية على تحليل صور الرنين المغناطيسي، وصور التصوير المقطعي المحوسب، والتصوير المقطعي بالموجات فوق الصوتية. تتيح هذه التقنيات مراقبة درجة الحرارة داخل الأنسجة دون الحاجة إلى إدخال أي عنصر استشعار. [ 2 ] في مجال التدفقات التفاعلية (مثل الاحتراق والبلازما)، استُخدمت تقنيات التألق المستحث بالليزر (LIF) وقياس طيف امتصاص الليزر (CARS) وقياس طيف امتصاص الليزر لقياس درجة الحرارة داخل المحركات، والتوربينات الغازية، وأنابيب الصدمة، ومفاعلات التخليق [ 3 ]، وغيرها. تشمل مزايا هذه التقنيات البصرية القياس السريع (حتى نطاق زمني نانوي)، فضلًا عن قدرتها على عدم التأثير على المادة المراد قياسها (مثل اللهب، والغازات المسخنة بالصدمات).

معايير الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME)

  • B40.200-2008: موازين الحرارة، القراءة المباشرة والقراءة عن بعد. [ 4 ]
  • PTC 19.3-1974(R2004): رمز اختبار الأداء لقياس درجة الحرارة. [ 5 ]

درجة حرارة الهواء

مقارنة بين الرسم البياني للغلاف الجوي القياسي الأمريكي لعام 1962 الذي يوضح العلاقة بين الارتفاع الهندسي وكثافة الهواء والضغط وسرعة الصوت ودرجة الحرارة مع الارتفاعات التقريبية لأجسام مختلفة. [ 6 ]

درجة حرارة الغلاف الجوي هي مقياس لدرجة الحرارة في مستويات مختلفة من الغلاف الجوي للأرض . وتتأثر بعوامل عديدة، منها الإشعاع الشمسي الوارد ، والرطوبة ، والارتفاع . ويُستخدم اختصار MAAT غالبًا للدلالة على متوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية لموقع جغرافي معين.

المعايير

وضعت الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) معيارين منفصلين ومتميزين لقياس درجة الحرارة، هما B40.200 وPTC 19.3. يوفر المعيار B40.200 إرشادات لمقاييس الحرارة ثنائية المعدن، ومقاييس الحرارة ذات النظام المملوء، ومقاييس الحرارة الزجاجية السائلة. كما يوفر إرشادات لأنابيب الحماية الحرارية . أما المعيار PTC 19.3 فيوفر إرشادات لقياس درجة الحرارة المتعلقة برموز اختبار الأداء، مع التركيز بشكل خاص على المصادر الأساسية لأخطاء القياس وتقنيات معالجتها.

قياس درجة الحرارة عبر الأقمار الصناعية

مقارنة بين القياسات الأرضية لدرجة الحرارة القريبة من السطح (باللون الأزرق) والسجلات المستندة إلى الأقمار الصناعية لدرجة حرارة الطبقة الوسطى من التروبوسفير (باللون الأحمر: UAH ؛ باللون الأخضر: RSS ) من عام 1979 إلى عام 2010. تم رسم الاتجاهات للفترة 1982-2010.
اتجاهات درجة حرارة الغلاف الجوي من 1979 إلى 2016 بناءً على قياسات الأقمار الصناعية؛ التروبوسفير أعلاه، والستراتوسفير أدناه.

تُعدّ قياسات درجة الحرارة عبر الأقمار الصناعية استنتاجاتٍ لدرجة حرارة الغلاف الجوي على ارتفاعاتٍ مختلفة، بالإضافة إلى درجات حرارة سطح البحر واليابسة، والتي تُستقى من القياسات الإشعاعية التي تُجريها الأقمار الصناعية . ويمكن استخدام هذه القياسات لتحديد مواقع الجبهات الهوائية ، ورصد ظاهرة النينيو-التذبذب الجنوبي ، وتحديد قوة الأعاصير المدارية ، ودراسة الجزر الحرارية الحضرية ، ومراقبة المناخ العالمي. كما يُمكن رصد حرائق الغابات والبراكين والمناطق الصناعية الساخنة عبر التصوير الحراري الذي تُوفّره أقمار الأرصاد الجوية.

لا تقيس الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية درجة الحرارة مباشرةً، بل تقيس الإشعاع في نطاقات أطوال موجية مختلفة . ومنذ عام 1978، تقوم وحدات قياس الموجات الميكروية (MSUs) الموجودة على متن أقمار الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA ) التي تدور في مدارات قطبية، بقياس شدة إشعاع الموجات الميكروية الصاعد من الأكسجين الجوي ، والذي يرتبط بدرجة حرارة الطبقات الرأسية العريضة للغلاف الجوي. كما تُجمع قياسات الإشعاع تحت الأحمر المتعلق بدرجة حرارة سطح البحر منذ عام 1967.

تُظهر بيانات الأقمار الصناعية أن طبقة التروبوسفير قد شهدت ارتفاعاً في درجة حرارتها، بينما شهدت طبقة الستراتوسفير انخفاضاً في درجة حرارتها خلال العقود الأربعة الماضية . ويتوافق هذان الاتجاهان مع تأثير تزايد تركيزات غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي .

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 تي. جيه. كوين (1983). درجة الحرارة . لندن: أكاديميك برس. ISBN 978-0-12-569680-7.
  2. ↑ "إجراء فرط الحرارة" . مختبر القياسات والأجهزة الطبية الحيوية . جامعة كامبوس بيو-ميديكو دي روما. مؤرشف من الأصل بتاريخ 14 يوليو 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 يوليو 2014 .
  3. ↑ كريستي، روبن إس إم؛ فيروغي، أميد إم؛ دراير، توماس؛ شولز، كريستوف (21-03-2017). "التألق الليزري متعدد الخطوط لثاني أكسيد السيليكون للتصوير الكمي لدرجة الحرارة في التخليق اللهبي للجسيمات النانوية". الفيزياء التطبيقية ب . 123 (4): 104. رمز Bibcode : 2017ApPhB.123..104C . doi : 10.1007/s00340-017-6692-0 . ISSN 1432-0649 . S2CID 125569546 .  
  4. ↑ "ASME" . الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مايو 2015 .
  5. ↑ "ASME" . الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين. مؤرشف من الأصل بتاريخ 8 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 مايو 2015 .
  6. ↑ الارتفاع الهندسي مقابل درجة الحرارة والضغط والكثافة وسرعة الصوت المستمدة من الغلاف الجوي القياسي الأمريكي لعام 1962.
  • كاليندر، هيو لونغبورن (1911). "الكهروحرارية"  . الموسوعة البريطانية . المجلد  26 (  الطبعة الحادية عشرة). الصفحات 814-821 . دراسة معاصرة أخرى للمواد ذات الصلة.
  • كاليندر، هيو لونغبورن (1911). "علم قياس الحرارة"  . الموسوعة البريطانية . المجلد  26 (  الطبعة الحادية عشرة). الصفحات 821-836 . دراسة معاصرة مفصلة لنظرية قياس الحرارة وتصميم الترمومتر.
  • مقارنة بين تقنيات القياس المختلفة ، شركة Agilent Technologies، "قياسات عملية لدرجة الحرارة" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 16 نوفمبر 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 نوفمبر 2018. نستعرض في هذا البحث تقنيات مراقبة درجة الحرارة الأكثر شيوعًا، ونقدم إجراءات لتحسين دقتها.