האם ניתן להסתמך על חושי גוף האדם למדידת טמפרטורה?

ניסוי פשוט, ייתן לנו תשובה לשאלה זאת:

משתמשים ב 3 כוסות קל-קר (ראה תמונה), כוס אחת עם מים חמים (משמאל), כוס אחת עם מים קרים (מימין), וכוס אחת עם מים פושרים (במרכז).

מכניסים תחילה אצבע של יד ימין, לכוס עם המים הקרים, ואצבע של יד שמאל, לכוס עם המים החמים. לאחר כ 30 שניות בהן היו שתי האצבעות במים, מכניסים את שתי האצבעות ששימשו למדידה, לכוס האמצעית, עם המים הפושרים. התחושה שמשדרות שתי האצבעות למוח, שונה לחלוטין, למרות ששתי האצבעות נמצאות במים, הנמצאים באותה טמפרטורה.

ההסבר לכך קשור לתכונה של מערכת החישה האנושית, המגיבה בעיקר לשינויים, ועוברת תהליך הסתגלות לכל מצב.

כיצד בונים מד טמפרטורה המבוסס על התפשטות גזים?

משתמשים בצינור גמיש ושקוף, המסודר בצורת U, עם נוזל (רצוי צבעוני) בתחתיתו, כפי שמתואר בתמונה:

את תחילת הצינור הגמיש השקוף, מחברים אל צינור קשיח קצר, התקוע בתוך פקק גומי, הסוגר כלי זכוכית מלא אוויר.

חימום האוויר בכלי הזכוכית הסגור, יגרום להתפשטותו, ולעליית הנוזל הצבעוני בצינור השקוף.

רצוי, בסוף הצינור הגמיש, לחבר צינור שקוף קשיח ארוך, כדי לראות בו את עליית הנוזל הצבוע על פני מסלול ארוך.

על פי התמונה ניתן להבין כי מספיק חימום קל עם נר דולק, כדי לגרום לעלייה גבוהה של הנוזל בצינור השקוף.

הגז המתחמם דוחף את הנוזל במעלה הצינור הנגדי.

ניתן לכייל את המכשיר שבנינו, באמצעות מד טמפרטורה הנמצא בנוזל בכלי (תקוע גם הוא בפקק הגומי), ולסמן על הצינור הקשיח שלמעלה את ערכי הטמפרטורה המתאימים.

כיצד בונים מד טמפרטורה המבוסס על התפשטות נוזלים?

משתמשים בצינור שקוף קשיח, התקוע בתוך פקק גומי, הסוגר כלי זכוכית מלא נוזל (רצוי צבעוני), כפי שמתואר בתמונה:

חימום הנוזל בכלי הזכוכית הסגור, יגרום להתפשטותו, ולעליית הנוזל הצבעוני בצינור השקוף האנכי.

עקב קיבול החום הגדול של הנוזל (מים עם צבע), נדרש חימום ניכר להעלאת הטמפרטורה של המים (ניתן לראות בתמונה את מכשיר הלהבה המשמש לחימום).

ניתן לכייל את מד הטמפרטורה תוך השוואה למכשיר אחר, או תוך התייחסות לנקודות ידועות של טמפרטורה (היתוך ורתיחה של חומרים ידועים).

כיצד בונים מד טמפרטורה המתאים לגוף האדם?

מכשיר מדידה זה מכונה בפי העם: "מד חום" עם כספית, או עם אלכוהול.

הנוזל, הנמצא בתחתית המכשיר, מתחמם, מתפשט, ועולה במעלה הצינור.

המכשירים הנראים בתמונה, כוללים תחום מדידה של עשרות מעלות בלבד.

מכשירים אלו מכוילים בדיוק של כ 1 מעלה, ומשמשים למדידה במעבדה ובבית.

מסיבות בטיחותיות, נעלם בשנים האחרונות השימוש במכשירים המבוססים על כספית, עקב רעילותה הגבוהה, והחשש שכאשר כלי הזכוכית נשבר היא תתפזר.

גם המדידה האנלוגית נעלמת, ובמקומה משתמשים במכשירי מדידה דיגיטליים (ספרתיים), בהם יש מערכת אלקטרונית המתרגמת לתצוגה ספרתית את הטמפרטורה.

כיצד בונים מד טמפרטורה המורכב מבועות זכוכית, מלאות נוזל צבעוני וגז, הצפות בתוך נוזל?

מד טמפרטורה זה, המכונה גם "תרמומטר של גליליאו", מבוסס על כדורי זכוכית (בועות), המלאים בתערובות של נוזלים צבעוניים. המכשיר החדיש הנראה בתמונה מבוסס על התרמוסקופ, שהומצא על ידי גלילאו גלילי, בשנת 1600. הבועות צפות בתוך שפופרת חתומה המלאה במים.

תערובות נוזלים אלו יכולות להכיל אלכוהול, או אפילו רק מים, עם צבעי מאכל.

לכל כדור (בועה), מחוברת תווית מתכת קטנה המסמנת את הטמפרטורה. תווית מתכת זו משמשת גם כמשקל איזון, כאשר משקל כל תווית שונה מעט מהאחרות.

הצפיפות (יחס בין המסה לנפח) הכוללת של הבועה, עם הנוזל והמשקולת המחוברת אליה, שונות מעט בין כל הבועות, אך מאוד קרובות לצפיפות של המים הממלאים את הצינור החתום.

מדידת הטמפרטורה מבוצעת על ידי חשיפת הכלי לאוויר שסביבו, הגורם להתחממות המים בכלי, שגורמים להתחממות הבועות עם הנוזלים הצבעוניים.

צפיפות הבועה עם סימון הטמפרטורה הנמוך ביותר (הקרה יותר), היא הגדולה ביותר, מכיוון שחימום גורם להתפשטות (נפח גדול יותר).

עקב שינויי צפיפויות, כתוצאה משינויי הטמפרטורה, חלק מהבועות צפות וחלק אחר שוקעות.

מכשיר זה משמש כיום בעיקר למטרות קישוט.

כיצד בונים מד טמפרטורה המבוסס על התפשטות מוצקים:

• כיצד בונים מד טמפרטורה דו-מתכת (Bimetal). משתמשים בשתי מתכות צמודות, המתפשטות כל אחת במידה שונה כתוצאה מחימום, וגורמות לכיפוף.
• דוגמה המדגימה את התפשטות המתכת כתוצאה מחימום, היא באמצעות מטבע העובר דרך רווח נתון (כמו לדוגמה בין שני ברגים התקועים בעץ – ראה תמונה). כאשר מחממים את המטבע הוא מפסיק לעבור ברווח הנתון.

כיצד בונים מד טמפרטורה המבוסס על יצירת מתח חשמלי בין שתי מתכות שונות:

• תרמוקפל – "צמד חומני". מואכב משתי מתכות שונות, כגון: כרומל-אלומל, או סתם שתי מתכות המחוברות ביניהן בקצה אחד ואל מד מתח, בצידן השני. רצוי להדגים גם עם מד מתח המכויל לקריאת הטמפרטורה במעלות.

כיצד בונים מד טמפרטורה המבוסס על שינוי התנגדות חשמלית כתוצאה משינוי טמפרטורה:

• תרמיסטור – חומר חצי מוליך (מקדם טמפרטורה שלילי).
• RTD = Resistance Temperature Detector – לכל המתכות מקדם טמפרטורה חיובי, ופלטינה מהווה מכשיר מדידה מדויק.
• דיודה חשמלית, טרנזיסטור, וכו'.

מד טמפרטורה המבוסס על קרינת אינפרא-אדום הנפלטת מגוף חם:

• מצלמה תרמית (Thermography).

מד טמפרטורה המבוסס על פליטת אור בתחום הנראה:

התלהטות של חוט להט של נורית. כל נושא הגוף השחור, הפולט אור כפונקציה של הטמפרטורה שלו. פירומטר אופטי.

מד טמפרטורה המבוסס על שינוי צבע:

• גבישים נוזליים.
• צבעים רגישים לטמפרטורה.

הערות לגבי מדידת טמפרטורה:

• התצוגה של מד הטמפרטורה יכולה להיות אנלוגית, או דיגיטלית.
• כל מדידה יש לכייל – להשוות לתקן (סטנדרט).
• לינאריזציה.

לאחר שראינו כי ניתן להגדיר טמפרטורה כגודל שהוא זהה עבור מערכות הנמצאות במצב של שיווי משקל תרמי.

באופן איכותי מתייחסים לטמפרטורה, כמדד לתחושת חום או קור, במגע עם גוף.

המושגים: חם, פושר, קר, קריר, וכו' מתארים תחושות בלבד, ואין הם מהווים מדד פיזיקלי הניתן למדידה, מכיוון שהם יחסיים (חם או קר ביחס למה?).

קל להראות בצורה ניסיונית כי כאשר מביאים 2 גופים מאותו חומר במגע תרמי אחד עם השני, הגוף בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר מתקרר, והגוף שהיה קר יותר מתחמם. תהליך זה נמשך עד אשר מגיעים לנקודה בה לא מתחולל יותר שינוי. בנקודה זו מגיעות שתי המערכות (שני הגופים) לשיווי משקל תרמי.

על פי תיאור זה ניתן להגדיר טמפרטורה, כגודל שהוא זהה עבור מערכות הנמצאות במצב של שיווי משקל תרמי.

*המכשירים הבלתי מסחריים,המתוארים בתמונות בעמוד זה, ניבנו על ידי המומחים: יוסף סוסנובקי ומוטי מושינסקי, ממעבדות דוידסון לחינוך מדעי.