איך מודדים חום?

עד ממש לא מזמן המדחום היה מכשיר שרובץ בארון התרופות ונשלף ממנו רק כשיש חשש שמישהו מבני המשפחה חולה. אולם לאחרונה, בעקבות התפרצות מגפת COVID-19, המכשירים האלה תופסים מקום יותר ויותר מרכזי בחיינו. אנו נדרשים למדוד את החום לפני היציאה לבית ספר, בכניסה לחנויות ובמקומות העבודה. נפוצים כיום כמה סוגים של מדחומים, שהבולט מביניהם הוא המדחום המבוסס על קרינה תת-אדומה, שפועל בלי מגע ישיר עם הגוף .

כדי להבין איך המדחום עובד, יש להבין קודם מה הוא מודד. טמפרטורה היא מדד לכמות האנרגיה שאגורה כחום בתוך גוף. החום נאגר כתנועה מיקרוסקופית של החלקיקים המרכיבים את החומר – האטומים והמולקולות. ככל שהגוף חם יותר, האטומים ינועו מהר יותר. אופי התנועה של האטומים תלוי במצב הצבירה של החומר – כשמדובר בגז, כמו אוויר בחדר, החלקיקים ינועו בכל רחבי החדר. המולקולות באוויר עשויות לנוע במהירויות גבוהות מאוד – המהירות הממוצעת שלהן בטמפרטורת החדר היא כ-1,800 קמ"ש. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, מהירות התנועה של החלקיקים באוויר תלך ותגדל. לעומת זאת, בחומר מוצק האטומים רוטטים במקום, וככל שהחומר חם יותר – למשל עור האדם – כך הם ירטטו יותר.

כשמצמידים שני גופים, לדוגמה כשסיר חם מונח על משטח שיש פושר, החלקיקים הרוטטים פוגעים אלה באלה, ולכן החלקיקים בגוף החם מאיטים ואלה שבגוף הקר מאיצים. זו התמונה המיקרוסקופית של תהליך העברת החום מגוף אחד לאחר. התהליך מסתיים כשהטמפרטורה של שני הגופים משתווה. הטמפרטורה, אם כן, מוגדרת לפי כמות החום שיש בגוף.

עם השנים התבססו כמה מדדים לטמפרטורה, הנפוץ שבהם הוא סולם מעלות צלזיוס, שנקבע בהתאם לנקודת הקיפאון והרתיחה של מים בלחץ אטמוספרי רגיל בגובה פני הים. 100 מעלות צלזיוס היא הטמפרטורה שבה מים רותחים ו-0 מעלות צלזיוס היא הטמפרטורה שבה הם קופאים.

הדרך הוותיקה והמקובלת למדוד טמפרטורה היא באמצעות חיישן שמצמידים לחומר שרוצים למדוד. החיישן הוא רכיב עם תכונה מסוימת שאפשר למדוד בקלות, ושגודלה תלוי בטמפרטורה. ממתינים עד שהטמפרטורה של החיישן תשתווה לטמפרטורת החומר, ואז מודדים את התכונה הזאת. אם החיישן כויל מראש על ידי כך שהשתמשו בו למדוד את הטמפרטורה של דברים ידועים – כמו מים בשלב הקיפאון או הרתיחה, אפשר לקבל מכשיר מדידה לטמפרטורה.

מדחום הכספית:
ותיק ואמין, אך מסוכן

המכשיר הראשון למדידת טמפרטורה שנכנס לשימוש נרחב הוא המדחום המבוסס על כספית, שעדיין נמצא בשימוש כיום. את המדחום הזה פיתח במאה ה-18 הפיזיקאי ההולנדי דניאל גבריאל פרנהייט – שפיתח גם את סולם פרנהייט למדידת טמפרטורה, המתחרה בצלזיוס.

מדחום הכספית מבוסס על גולה חלולה מזכוכית, שצינורית דקה מחוברת אליה. הגולה מלאה בכספית – המתכת היחידה שנמצאת במצב צבירה נוזלי בטמפרטורת החדר ובלחץ אטמוספרי רגיל. הנפח של כספית משתנה בצורה ניכרת בהתאם לטמפרטורה שלה. כשהיא מתחממת, הנפח שלה גדל והנוזל הכסוף עולה במעלה הצינורית. שנתות שסומנו לאורך הצינורית מציינות את הטמפרטורה.

מדחום הכספית אמין ואינו זקוק לסוללות. חסרונו הגדול הוא השימוש בכספית – שהיא מתכת רעילה מאוד. כל עוד המדחום שלם אין כמובן כל סכנה להשתמש בו, אולם אם הוא נשבר, מי שנחשף לחומר עלול לסבול מהרעלת כספית. כיום משוווקים בבתי המרקחת מדחומים דומים למדחום הכספית, אך מלאים באלכוהול צבוע בדיו, והשימוש בהם הרבה יותר בטיחותי.

יעל ומדויק, אך עלול להיות מסוכן אם הוא נשבר. מדחום כספית שבור עם טיפת כספית | צילום: bergia, Shutterstock

המדחום הדיגיטלי:
זול, זמין ומהיר

המדחומים הדיגיטליים נכנסו לשימוש בשלהי המאה ה-20, והם נפוצים כיום מאוד בשימוש ביתי ורפואי. המדחומים האלה מבוססים על חוט מתכת שהתנגדותו למעבר זרם חשמלי תלויה בטמפרטורה: כשהטמפרטורה עולה החלקיקים רוטטים יותר, ולכן ההתנגדות שפועלת על תנועת המטענים החשמליים (האלקטרונים) בחומר עולה והמוליכות שלו יורדת.

החוט נמצא בקצה המדחום, וכאשר הוא בא במגע עם הגוף – לדוגמה כשמכניסים אותו לפה – עובר חום מהגוף לראש המדידה עד שהטמפרטורה של שניהם משתווה. התנגדות התיל משתנה בהתאם. במדחום יש שבב אלקטרוני שמפעיל מתח חשמלי על החוט ומודד את הזרם הנוצר. השבב, שכויל מראש, מחשב את ההתנגדות ומעריך את הטמפרטורה בהתאם. המדחומים הללו מסוגלים לספק את תוצאת המדידה בתוך שניות ספורות והם זולים למדי.

מבוססים על שינוי ההתנגדות החשמלית של חוט מתכת. ילדה מודדת חום במדחום דיגיטלי | צילום: sirtravelalot, Shutterstock

מדחום ללא מגע:
היגייני וזריז, אך לא מדויק

הדרישה למדידת חום בכניסה למקומות ציבוריים, בעקבות מגפת הקורונה, העלתה מאוד את מידת הפופולריות של המדחום ללא מגע. עקרון פעולתו שונה מאוד משני סוגי המדחומים הקודמים, שכן הוא אינו דורש מגע ישיר עם הגוף הנמדד. במקום זאת הוא מודד את הקרינה שנפלטת מהגוף, כך שמספיק לכוון אותו לעבר אדם  ולקבל תשובה.

כל גוף פולט קרינה אלקטרומגנטית, המכונה קרינת גוף שחור. מקור הקרינה קשור לאותן תנועות רטט של האטומים המרכיבים את הגוף, ועל כן מאפייניה תלויים בטמפרטורת הגוף. בעצמים חמים מאוד, כמו ברזל לוהט (כאלף מעלות צלזיוס), חלק משמעותי מהקרינה נמצאת בתחום האור הנראה ולכן הברזל זוהר. גוף האדם, לעומת זאת, פולט קרינה בעיקר בתחום התת-אדום, שהוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית בלתי נראית שאורכי הגל שלה גבוהים מאלה של האור הנראה.

המדחום בנוי כך שיש בו עדשה שממקדת את קרינת הגוף לעבר חיישן הרגיש לשינויים קלים בטמפרטורה. הקרינה הממוקדת מחממת את החיישן, שמפיק אות חשמלי. שבב שנמצא במכשיר מתרגם את האות לטמפרטורה בהתאם לכיול שנעשה למכשיר מראש. מדובר בשיטת מדידה מהירה מאוד ולמעשה כמעט מיידית מכל בחינה מעשית.

מדחומי קרינה תת-אדומה נהנים מיתרון מובהק על פני מתחריהם בזכות מהירותם והשימוש ההיגייני בהם, ולכן הם פופולריים מאוד בימים אלה. חסרונם העיקרי הוא שהמדידה הזאת נחשבת פחות מדויקת ממדידות שנעשות באמצעות מגע.

מהיר מאוד אך לא מדויק. רופאה בבגדי מגן מודדת חום לחשוד בקורונה | צילום: aslysun, Shutterstock

הבעיה העיקרית היא שהקרינה הנפלטת מהגוף תלויה גם במאפייני העור, מקום המדידה ותנאים סביבתיים נוספים. הקרינה תלויה גם בטמפרטורת העור, שנמוכה מטמפרטורת הגוף עצמו, והמכשיר מעריך על פיה את הטמפרטורה בתוך הגוף. מכל הסיבות האלה המדידה פחות מדויקת ממדידה ישירה של חום הגוף, כך שכשרוצים הערכה מזויקת של טמפרטורת הגוף נהוג להשתמש במדחומי מגע ישיר. ראוי גם להבהיר שהמדחומים האלה אינם מסוכנים בשום צורה, משום שהם רק מודדים קרינה הנפלטת מגוף האדם, ולא פולטים קרינה בעצמם.

אלו שלושת הסוגים העיקריים של המדחומים למדידת טמפרטורת הגוף שנמצאים בשימוש ביתי. קיימים עדו כמה סוגים של מדחומים למטרות אחרות, כמו בישול או שימוש תעשייתי, וחלקם מבוססים על עקרונות פיזיקליים אחרים ועל תכונות נוספות של חומרים שמשתנים בהתאם לטמפרטורה.