تاريخ اختراع مقياس الحرارة ودوره في القياس العلمي

محاولات مبكرة لقياس الحرارة

إن الرغبة البشرية في قياس درجة الحرارة تمتد إلى درجة الحرارة، قبل فترة طويلة من وجود أي أداة لقياسها، وقد كتب الأطباء اليونانيون القدماء مثل غالين )السكرا 129-216 AD( على نطاق واسع عن درجات الحرارة والبرد فيما يتعلق بصحة الإنسان، واقترحوا نظاما يتألف من أربع درجات لكل درجة من أجل الحرارة والبرد والرطب والجافة، ولم تكن لهذه المستويات المضاربة أساس مادي ولا يمكن قياسها بدرجة حرارة.

وفي الصين خلال سلالة هان )٢٠٦ بي سي - ٢٢٠ ألف دال(، طور الحرفيون والباحثون أجهزة تستخدم التوسع في الغازات أو السوائل لبيان التغيرات في درجة الحرارة، وقد اعتمدت هذه الأدوات المبكرة، التي كثيرا ما وصفت بأنها " تنبؤات الطقس " على المبدأ القائل بأن الهواء داخل غرفة مغلقة سيتوسع عندما يبرد وينقل بستان أو يغير مستوى السائل.

كان التداخل الحقيقي مع مقياس الحرارة العصري قد ظهر في أواخر القرن السادس عشر مع اختراع جهاز الأشعة الحرارية الذي لا يزال يُستخدم في جهاز الأشعة تحت الحمراء

مقياس الحرارة المبحرة الأولى وولادة الصومالات

وقد جاء الانجاز الحاسم عندما أدرك المخترعون أن إغلاق السائل الحراري من الغلاف الجوي قد أزال آثار الضغط وحسنت بشكل كبير الاتساق، ففي عام ١٦٥٤، قام فيردينندو الثاني دي ميديتشي، الدوق الأكبر للتوكساني، بإنشاء جهاز محتوم للسائل في الجليد يستخدم مقياسا متدرجا، ويعتبر جهازه على نطاق واسع أول مقياس حراري حديث لأنه مستقل عن ضغط الهواء ويمكن أن يوفر قياسات قابلة للتكرار.

"مُتَصَلَّقَة فهرنهايت"

(دانيال غابرييل فهرنهايت) وهو فيزياء ألمانية وصانع أجهزة ولدت في عام 1686، وقياس درجة الحرارة الثورية في أوائل القرن الثامن عشر، وبعد سنوات من التجارب مع سائل مختلفة من المقاييس الحرارية، طورت شركة Fahrenheit أول مقياس للزئبق موثوق به في عام 1714، وكان الزئبق خيارا ملهما: فهو يوسع الزي الرسمي مع درجة الحرارة، ويبقى سائلاً على نطاق واسع (من 338.83.س)

كما استحدثت شركة Fahrenheit مقياساً لدرجات الحرارة استناداً إلى ثلاث نقاط ثابتة، حيث حدد درجة حرارة صفر درجة مئوية كبديل درجة الحرارة يمكن أن يحققها باستخدام مزيج من الجليد والمياه وكلوريد الأمونيوم (أبرياء) حيث حدد 32 درجة شرقاً كنقطة تجميد للمياه النقية، وأصبح في الأصل 96 درجة شرقاً كمتوسط حرارة الجسم البشري (تصاف درجة حرارة 98.6 درجة مئوية).

Réaumur and Celsius Scales

وفي الوقت نفسه، اقترح الفيزيائي الفرنسي رينيه أنطوان فيرشوت دي ريامور مقياساً للدواء على أساس الكحول، حيث كانت نقطة التجميد في فرنسا صفر درجة، وكانت نقطة الغليان 80 درجة، واختار ريامور الكحول بسبب معامله التوسعي العالي، وحدد نطاقه بتقسيم التغير في الحجم بين التجميد والتغليد في نهاية المطاف إلى 80 جزءاً من القارة.

في عام 1742، قام عالم الفلك السويدي أندرس سيليسوس بإدخال مقياس يضع نقطة التجميد في درجة حرارة صفر درجة مئوية ونقطة الغليان عند 100 درجة مئوية، ومن المثير للاهتمام أن سيليسوس استخدم في البداية درجة حرارة صفر مئوية كنقطة تغلي و100 درجة مئوية كنقطة تجميد، وعكس مسار الاتفاقية الحديثة، وبعد وفاة سيليسيوس في عام 1744، تم تفادي المقياس بواسطة شكل غالبية العظمى من أشكاله وباقي

درجة كيلفين ودرجة الحرارة الديناميكية

إن تطور الديناميكية الحرارية في القرن التاسع عشر يتطلب إشارة مطلقة إلى درجة الحرارة لا تتوقف على خصائص أي مادة معينة، ففي عام 1848، اقترح الفيزيائي البريطاني والمهندس ويليام تومسون، المعروف لاحقا باسم اللورد كيلفين، جدول حراري متساوي على أساس نظرية كارنوس، وهذا الجدول يصف الصفر تماما - النقطة النظرية التي يتوقف فيها كل حركة جزائية - 0.

مقياس اللورد كيلفين أساسي للفيزياء والكيمياء والهندسة لأنه يتصل مباشرة بدرجات الحرارة لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات، وهو يتيح إجراء حسابات دقيقة في الديناميكية الحرارية، والكيمياء الكميائية، وعلم الكون، كما أن النطاق الدولي للدرجة الحرارة لعام 1990 (مجدول الاختبارات) هو المعيار الحديث لقياس درجة الحرارة العملية (273 نقطة ثابتة)

الأثر على العلم والمجتمع

وقد تحولت القدرة على قياس درجة الحرارة بدقة تقريبا في كل مجال من مجالات العلم والصناعة، حيث أصبحت مسألة الإحساس الذاتي البشري مسألة دقيقة ومستنسخة يمكن تسجيلها، مقارنة، وتحليلها عبر الزمن والمسافة.

الطب والصحة

(أ) كانت المقاييس الطبية للأشعة تحت الحمراء ضرورية لتشخيص الحمى ورصد الأمراض وقرارات العلاج، وقد حددت الجهود المبكرة التي بذلها كارل آب/أغسطس وندرليكه في القرن التاسع عشر درجة حرارة الجسم البشري العادية 37 درجة مئوية (98.6 درجة ف) وربطت بشكل منهجي الانحراف عن هذه القاعدة بأمراض محددة.

Meteorology and Climate Science

بدأت قراءة درجات الحرارة المنهجية في القرن الثامن عشر مع مراقبين رائدين مثل دانييل بيربنغر في ألمانيا وجيمس يورين في إنكلترا، وفي القرن التاسع عشر، تستخدم أجهزة الطقس الوطنية مقاييس حرارية موحدة مأخوذة في شاشات ستيفنسون لجمع بيانات متسقة للتنبؤات وعلم المناخ، ولا غنى الآن عن السجلات الطويلة الأجل من هذه القياسات المبكرة لفهم تغير المناخ والاحترار العالمي.

الفيزياء والكيمياء

وقد استند قياس درجة الحرارة في البقعة إلى بعض أهم اكتشافات العلوم المادية، فقوانين الغاز في بويل وتشارلز وغاي لوسيك تعتمد جميعها على بيانات دقيقة عن درجة الحرارة، ومفهوم جوزيف بلاك للتدفئة والتجارب التي أجريت على قياس درجة الحرارة المتأنية، وتركيب المواد الحرارية بواسطة كارنو وكلوسيوس وكيلفين وغيرها من المواد التي يمكن أن تكون مستحيلة دون وجود معايير موثوقة.

العمليات الصناعية

وتكتسي أجهزة الاستشعار المبدئية أهمية حاسمة في جميع قطاعات التصنيع تقريبا، وفي مجال صنع الفولاذ، يجب التحكم في درجات حرارة الفرن في حدود بضع درجات لتحقيق الخواص المرغوب فيها، وتتطلب صناعة النحلات وضعا دقيقا للحرارة لمنع الضغوط والعيوب، وتطالب صناعة النسيج بضبط درجات الحرارة فوق المستويات أثناء التصويري، والترسيب، والاختراق، وتعتمد المعالجة الغذائية على رصد درجات الحرارة في الماضي.

مقاييس الحرارة الحديثة والابتكار المستمر

واليوم، تأتي مقاييس الحرارة في مجموعة واسعة من الأنواع، وكل نوع منها يُستخدم على الوجه الأمثل لتطبيق محدد، وشرط دقة، وبيئة تشغيل.

مقاييس الحرارة الرقمية والإلكترونية

وتستخدم أجهزة قياس الحرارة الرقمية أجهزة قياس الحرارة أو أجهزة كشف درجة الحرارة المقاومة لتحويل درجة الحرارة إلى إشارة كهربائية، وأجهزة التحكم الحراري هي أجهزة شبه موصل تتغير مقاومتها بدرجة حادة مع درجة الحرارة، وتوفر حساسية عالية في النطاقات الضيقة، وتوفر أجهزة القياس المزودة بأجهزة قياس الحرارة الذكية، وتحقق الدقة والاستقرار على مستويات الحرارة الواسعة.

مقاييس الحرارة تحت الحمراء وغير المطابقة

مقياس الحرارة تحت الحمراء يقيس الإشعاع الحراري الذي تنبعث منه الأجسام، مما يسمح بأخذ قراءات درجة الحرارة من مسافة دون اتصال جسدي، وقد أصبحت هذه الأجهزة بارزة بشكل خاص أثناء انتشار الأشعة تحت سطحية تحت سطح الماء، حيث تم نشر فحص الحمى غير المحتوية على الترددات في المطارات والمستشفيات والمدارس وأماكن العمل، وتزيد كاميرات التصوير الحراري من خطى درجات الحرارة في جميع الأسطح الإشعاعية في الوقت الحقيقي.

سائل الحرارة والمليارات

Thermocouples, invented by Thomas Seebeck in 1821, consist of two dissimilar metals joined at a measure junction, when the junction is hetage is produced that is proportional to the temperature difference between the measurement junilction and a reference junilles are inexpensive,ميكانيكي robust, and capable of measuring extremely wide rangens

مقياس الحرارة النانوية ومقياس الحرارة الذكية

(أ) إنّ المقاييس الحرارية التي تعمل على مستوى الجزيئي، ومقاييس الحرارة التي ترتكز على الفلور، والنباتات الكميّة، أو مراكز إنتاج النيتروجين الماسية يمكن أن تقيس درجة الحرارة داخل الخلايا المحسوسة بالحل المكاني دون المتوسط، وهذه الأدوات تفتح آفاقاً جديدة في البيولوجيا، مما يسمح للعلماء بدراسة الأيضية وشبه الصنعية في درجة الحرارة الواحدة.

الاستنتاج: وجود الدقة

تاريخ مقياس الحرارة يظهر مدى الحاجة البسيطة لقياس الحرارة الباردة التي قادت قرون من الابتكار عبر الفيزياء والكيمياء والطب والصناعة من ممر جاليليو الدقيق إلى أجهزة الاستشعار الرقمية وكاميرات الأشعة تحت الحمراء ومقياس المقياس النانوي