Почему в термометрах используется ртуть?

Автор статьи Акаш Пешин.

В принципе любое вещество, чьи свойства заметно меняются с температурой, может быть использовано для ее измерения. Хорошо было бы иметь материал, который меняет свой цвет при нагревании. Можно было бы наблюдать как вещество окрашивается оттенками синего при повышении температуры и оттенками красного при понижении.

Аналогичным образом уровень воды, заполняющей узкую трубку поднимается и опускается вместе с увеличением и уменьшением температуры. По этому принципу работают все герметично запечатанные жидкостные термометры.  Но тогда почему же, если мы пренебрегаем водой, которая окружает нас повсюду и относительно недорого стоит, и отдаем предпочтение дорогой и трудно добываемой ртути?

История

Человечество узнало об абсолютной температуре спустя сотни лет после изобретения первого термометра. Они, кстати, не были термосами или измерителями температуры. Они были термоскопами, устройствами которые просто показывали повышение или понижение температуры. Эти устройства не калибровались к стандартной шкале. Они давали грубые и неточные оценки.

Почему в термометрах используется ртуть?

Изобретение  первого термометра приписывается Герону Александрийскому, любознательному инженеру, который считается величайшим экспериментатором античности.

Его устройство состояло из трубки с воздухом, погруженной в маленькую миску с водой. Когда термоскоп касался холодной или горячей поверхности, воздух сжимался или расширялся, вызывая изменения уровня воды.

Изобретение Галилео работало по тому же принципу. Однако, у этих устройств не только не было шкалы измерений, они ещё были чувствительны к изменению давления воздуха. Стремление создать устройство, показания которого менялись бы только из-за изменения температуры, привело Джозефа Дельмедиго, студента Галилея к изобретению первого жидкостного термометра со шкалой.

Коэффициент расширения.

Все тела (при постоянном давлении) расширяются при нагревании  вследствие того, что кинетическая энергия атомов увеличивается, то есть атомы начинают двигаться быстрее, что приводит к увеличению расстояния между ними. Увеличение размеров свойственно как твердым телам, таким как железнодорожные рельсы, резиновые шины, а также и жидкостям, например воде, спирту, ртути. Однако количество расширения в расчете на градус изменения температуры у каждого вещества отличается. Эта постоянная для каждого материала называется коэффициентом расширения.

Почему в термометрах используется ртуть?

Спирт более предпочтителен чем вода по простой причине,у него коэффициент расширения выше. Даже небольшие изменения температуры вызывают существенное изменение уровня спирта в трубке. Однако спирт настолько чувствителен, что такие изменения заставляют его вести себя турбулентно. Уровни постоянно колеблются, даже при отрицательных температурах. Эта капризность сбивает с толку, так как показания немедленно меняются, скажем даже если вы вытаскиваете термометр из емкости с кипящей водой, температуру которой вы хотели измерить. Он немедленно покажет температуру новой среды.

Чтобы избежать такую недостоверность голландский изобретатель Дэни Фаренгейт  заменил спирт ртутью. Ртуть имеет более высокий коэффициент расширения чем вода, что означает, то, что изменения её уровня будут заметнее, чем у воды. Но коэффициент расширения ртути в шесть раз меньше, чем у спирта.  Кстати, изменения уровня на градус для спирта в шесть раз больше чем изменения уровня ртути.

Это означает, что ртуть в запечатаной трубке расширяется медленнее спирта, но также и сжиматься она будет медленнее, если вытащить термометр из емкости с кипящей водой. Это означает, что показания при считывании становятся более точными и термометр становится более надежным.

Термометры перед этим изобретением были уникальными; их показания не соответствовали ни одному стандартизованному масштабу. Тем не менее, Фаренгейт предложил шкалу, которая была принята каждым производителем ртути и для термометров любого типа. Этот переход  к единой шкале был не таким трудным как кажется, поскольку почти все ртутные термометры того времени были изготовлены самим Фаренгейтом. Шкала, которая была слегка изменена позднее, теперь носит его имя.

Когда лучше применять спирт?

Но и у спирта есть свои достоинства. В отличие от ртути, спирт намного дешевле и не так труднодоступен. Кроме того, он не токсичен. Если ртутный термометр разбит, то работа лаборатории может остановиться на нескольких часов, так как вдыхание ртути может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. С этой точки зрения, спирт не представляет такой угрозы.

Более того, температура замерзания спирта  -115 ° C по сравнению с -40 ° C ртути. Это означает, что ртутные термометры не могут измерять температуры ниже -40 ° C, причем эта температура не такая редкая в научных лабораториях или в промышленности по производству сверхпроводников.

Почему в термометрах используется ртуть?

Однако, в отличие от спирта, ртуть не бесцветна, а это то свойство, которое заставляет производителей добавлять искусственные красители к спирту, чтобы сделать показания заметными. Кроме того, хотя спиртовые термометры могут измерять потрясающие низкие температуры, они не могут измерить температуры выше  чем 78,37 ° C, — это температура кипения спирта. Сравните ее с достаточно высокой температурой кипения ртути в 356,7 ° С!

С трудностями добычи ртути, её дороговизной и токсичностью сделать пока ничего нельзя. Но зато можно преодолеть термические ограничения.  Чтобы повысить температуру кипения ртути, емкость с ней накачивают инертным газом, таким как азот. Увеличение давления инертного газа на ртуть приводит к повышению температуры кипения.

Можно также опустить точку замерзания, с помощью добавления к ней примеси таллия. Такие новые ртутно-таллиевые термометры могут измерять температуры до -62 ° С. Тем не менее, несмотря на их недостатки, ртутные термометры считаются одними из наиболее точных термометров.

Предыдущая статьяЧто такое фобии?
Следующая статьяЧто такое Закон Мерфи?
Анастасия Савченко
Анастасия Савченко
Редактор, переводчик, сценарист. "Я многое умею. И уверенна, что могу научится делать гораздо больше."