دماسنج

اختراع دماسنج

-
دانیل فارنهایت

اندازه‌گیری دما، یکی از مسائل مهمی است که برای کنترل شرایط زندگی، محیط‌های کاری، فرایندها‌ی مختلف تولیدی و بسیاری از موارد دیگر، بایستی به درستی و دقت انجام گیرد. انسان به تغییرات دمایی محیط حساسیت قابل توجهی داشته و هرگونه کاهش یا افزایش بیش از حد دما، می‌تواند آثار منفی زیادی روی سلامت فرد یا شرایط زندگی وی به دنبال داشته باشد. دمای بدن، همواره در یک محدوده مشخص و ثابت قرار داشته و افزایش آن که اغلب تحت عنوان تب شناخته می‌شود، نشانه‌ای از بیماری و به‌طور خاص وجود عفونت در بدن فرد ارزیابی می‌گردد. دمای لازم برای نگهداری یک واکسن کرونای تولیدی شرکت‌های مختلف، باید در یک رنج خاص بوده تا سلامت آن تضمین گردد. درجه حرارت مذاب فولاد برای یک ریختگری بدون عیب و نقص، باید در محدوده دمایی خاصی باشد. همه این موارد، نشان می‌دهد که اندازه‌گیری دما، تا چه حد برای ما حائز اهمیت است.

احتمالاً با خود می‌گویید اندازه‌گیری دما کار ساده‌ای است و با ابتدایی‌ترین دماسنج‌ها هم امکان‌پذیر است. کاملاً درست است، اما همین ضرورت اندازه‌گیری دمای محیط و نقش کلیدی آن در امور مختلف مرتبط با انسان، آن را به یکی از نوآوری‌های ارزشمند بشریت مبدل ساخته است. در حالی که امروزه انواع دماسنج‌های دیجیتال، بدون نیاز به هیچ‌گونه لمس بدن و از راه دور می‌تواند دمای بدن فرد را اندازه‌گیری کند، دماسنج‌های اولیه با استفاده از الکل و جیوه کار می‌کردند. اگر سن و سالتان اجازه دهد، حتماً با دماسنج‌های نوستالژیک دهانی آشنایی داشته یا حتی تعدادی از آن‌ها را در خانه خود دارید!

به‌طور کلی، دماسنج‌ها با استفاده از موادی که هنگام گرم شدن یا سرد شدن با تغییراتی روبرو می‌شوند، دما را اندازه‌گیری می‌کنند. در دماسنج جیوه‌ای یا الکلی، مایع با گرم شدن یا سرد شدن، به ترتیب منبسط یا منقبض شده و ارتفاع ستون آن افزایش یا کاهش می‌یابد. دماسنج‌های مدرن، در واحدهای دمایی استاندارد، شامل فارنهایت، سانتی‌گراد و کلوین کالیبره می‌شوند. البته باید بدانید که پیش از اختراع دماسنج، وسیله‌ای به نام ترموسکوپ (Thermoscope) وجود داشته که به تعبیری، یک دماسنج بدون مقیاس بوده که فقط تفاوت دما بین دو حالت مختلف را نشان می‌داد.

بررسی تاریخچه ترموسکوپ و دماسنج، نشان می‌دهد که چندین مخترع مختلف، در توسعه این اختراعات ارزشمند دخیل بوده‌اند. مشهورترین این مخترعین، گالیله (Galileo Galilei)، اخترشناس مشهور ایتالیایی است که در سال ۱۵۹۳ میلادی، یک ترموسکوپ آبی ابتدایی را ابداع نمود. این اختراع که به دماسنج گالیله هم مشهور است، حاوی حباب‌هایی شناور در آب و درون یک شیشه استوانه‌ای بود که بر مبنای انبساط و انقباض و تغییر وزن حجمی هر یک از حباب‌ها، دمای حدودی را نشان می‌داد. برای مثال، در دمای ۲۲ درجه محیط، حباب‌های مرتبط با دماهای پایین‌تر ته‌نشین شده و دماهای بالاتر هم بر روی آب شناور می‌شدند. حبابی که در ارتفاع کمتر (بین ته‌نشین شده‌ها و شناورهای روی سطح) قرار می‌گرفت، دمای محیط را مشخص می‌کرد. گفتنی است، برخی مورخین معتقدند که این اختراع متعلق به گالیله نبوده و اگرچه وی مخترعی بزرگ و اولین فردی بوده که از تلسکوپ مدرن برای رصد آسمان‌ها استفاده نموده و از پیشگامان انقلاب علمی قرن شانزدهم به حساب می‌آید، اما در توسعه دماسنج هیچ نقشی نداشته است.

نخستین بهبود در ترموسکوپ‌های آن زمان، ایجاد نوعی مقیاس عددی در سال ۱۶۱۲ میلادی بود که توسط یک مخترع ایتالیایی به نام سانتوریو (Santorio) صورت گرفت. این دماسنج اولیه را می‌توان نخستین دماسنج بالینی تاریخ دانست که درون دهان بیماران قرار گرفته و دمای بدن آن‌ها را نشان می‌داد.

مشکل اصلی ترموسکوپ‌ها و از جمله دستگاه‌های توسعه یافته توسط گالیله و سانتوریو، این بود که اصلاً دقیق نبودند. فردیناند دوم، دوک بزرگ توسکانی (Tuscany)، در سال ۱۶۵۴ میلادی، اولین دماسنج مایع درون شیشه را ابداع نمود که در آن، از الکل به جای آب استفاده می‌شد. اما متأسفانه این دماسنج دارای مقیاس دقیق و استانداردی نبود.

سرانجام انتظارها به سر رسید و اولین دماسنج مدرن تاریخ، توسط دانیل فارنهایت (Daniel Gabriel Fahrenheit) اختراع شد. فارنهایت یک فیزیکدان آلمانی بود که دماسنج الکلی را در سال ۱۷۰۹ و دماسنج جیوه‌ای را در سال ۱۷۱۴ میلادی، با موفقیت آزمایش نمود. وی در سال ۱۷۲۴، یک مقیاس دمایی استاندارد به نام مقیاس فارنهایت (Fahrenheit Scale) معرفی کرد که امکان اندازه‌گیری دقیق دما توسط دماسنج را فراهم می‌آورد. در این مقیاس ابتکاری و خلاقانه، بازه دمایی بین نقاط انجماد و جوش آب، به ۱۸۰ درجه تقسیم شده و بین ۳۲ درجه (نقطه انجماد آب) و ۲۱۲ درجه (نقطه جوش آب) قرار می‌گرفت. درجه دمای طبیعی بدن انسان، ۱۰۰ درجه در مقیاس فارنهایت تعیین شده بود که بعدها به ۹۸/۶ تغییر یافت.

اما این تنها نوآوری برای تعیین مقیاس دماسنج نبود؛ در سال ۱۷۴۲ میلادی، آندرس سلسیوس (Anders Celsius)، ستاره‌شناس سوئدی، یک مقیاس اندازه‌گیری جدید تحت عنوان مقیاس سانتی‌گراد (Centigrade Scale) معرفی کرد که در آن، طیف دمای بین نقطه انجماد (۰ درجه) و نقطه جوش (۱۰۰ درجه) آب خالص در فشار هوای سطح دریا، به صد قسمت مساوی تقسیم می‌شد. اصطلاح «سلسیوس» در سال ۱۹۴۸ میلادی، توسط کنفرانس بین‌المللی اوزان و معیارها به تصویب رسید و امروزه از هر دو اصطلاح سلسیوس و سانتی‌گراد برای توصیف این مقیاس دمایی استفاده می‌شود.

در نهایت، لرد کلوین، با ابداع مقیاس کلوین (Kelvin Scale) در سال ۱۸۴۸ میلادی، تمامی پیشرفت‌های قبلی را یک گام به جلو هدایت کرد. وی ایده دمای مطلق که قانون دوم ترمودینامیک نامیده می‌شود را توسعه داده و نظریه دینامیکی گرما را مطرح نمود. در مقیاس کلوین، از واحدهای مشابه مقیاس سانتی‌گراد استفاده می‌شود، با این تفاوت که از صفر مطلق یا همان صفر درجه کلوین، برابر با منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد است.

به موازات این تحولات بزرگ و بنیادین در زمینه مقیاس‌بندی دما، توسعه دماسنج به‌عنوان یک تجهیز کاربردی به‌ویژه در حوزه درمان و پزشکی ادامه یافت. هنگامی که از دماسنج برای اندازه‌گیری دمای یک مایع یا هوا استفاده می‌شد، تنها کافی بود دماسنج را در آن مایع یا هوا نگه دارند. بدیهی است که وقتی هدف اندازه‌گیری دمای بدن انسان باشد، نمی‌توان همان کار را انجام داد. دماسنج‌های بالینی یا پزشکی، با ایجاد یک خمیدگی تیز و باریک در لوله نگه‌دارنده جیوه، مشکل را حل کردند. این بهبود طراحی، کمک می‌کرد تا پس از جداسازی دماسنج از بیمار، جیوه در سر جایش ثابت مانده و دمای بدن به درستی اندازه‌گیری شود. اگر دقت کنید، دماسنج‌های پزشکی جیوه‌ای را قبل و بعد از استفاده، به خوبی تکان می‌دهند تا جیوه به شرایط مربوط به دمای اتاق باز گردد.

یکی دیگر از نوآوری‌های فنی در زمینه دماسنج‌های پزشکی، طراحی و تولید دماسنج‌های دهانی است. شاید اختراع نخستین دماسنج دهانی را بتوان به سانتوریو نسبت داد. اما این دماسنج اولیه، هم حجیم و غیردقیق بود و هم اندازه‌گیری دمای بدن با آن، بسیار طولانی و دشوار می‌نمود. برای درک بهتر تلاش‌های فناورانه برای تولید دماسنج بالینی دهانی، باید به تحقیقات پزشکان برای تبیین رابطه بین بیماری و تب اشاره نمود. اولین پزشکانی که به‌طور معمول درجه حرارت بیماران خود را می‌گرفتند، هرمان بورهاو (Hermann Boerhaave)، جرارد سوئیتن (Gerard L.B. Van Swieten) و آنتون دی هائن (Anton De Haen) بودند. این پزشکان در سال‌های ابتدایی و میانی قرن هجدهم میلادی، دریافتند که دمای بدن با پیشرفت بیماری ارتباط مستقیمی دارد. با این حال، تعداد کمی از همکاران آن‌ها با این ایده همراه شدند و عملاً از دماسنج استفاده چندانی نشد.

یک قرن بعد، یک پزشک انگلیسی به نام سر توماس آلبوت (Sir Thomas Allbutt)، توانست اولین دماسنج عملیاتی و کارآمد پزشکی را در سال ۱۸۶۷ میلادی اختراع کند. این دماسنج ۶ اینچی، قابل‌حمل بود و می‌توانست دمای بدن بیمار را در ۵ دقیقه ثبت کند. با فراگیر شدن استفاده از دماسنج در پزشکی و تقاضای فزاینده برای نمونه‌های جدیدتر و کارآمدتر، دماسنج گوشی توسط تئودور هانس (Theodore Hannes)، محقق پیشگام در ترمودینامیک توسعه یافت. وی اختراع خود را هم‌زمان با جنگ جهانی دوم معرفی نمود. در ادامه، دماسنج مادون‌قرمز در سال ۱۹۸۴، توسط دیوید فیلیپس (David Phillips) تولید شد که یک پیشرفت مهم در توسعه و تکامل دماسنج‌های پزشکی به حساب می‌آید.