Какое свойство ртути лежит в основе устройства термометра
Отвечает Никита Шлапаков, преподаватель химии в онлайн-школе «Фоксфорд»
В Средние века люди интересовались всем — от философии до теологии, от астрономии до медицины. Стремясь познать окружающий мир, пытались измерить и температуру всего вокруг. Правда, подобрать термометрическую жидкость оказалось не так-то просто. Она должна отвечать нескольким критериям, одним из которых является линейная зависимость объема жидкости, то есть длины столбика с ней, температурой.
Первые медицинские модели термометров, предложенные еще Галилеем, изготавливались на основе воды, но у той зависимость сильно искажается в области около 4 °С из-за особенностей химической структуры. Этот эффект вносил погрешности в коэффициент линейной зависимости и при температурах намного выше, чем 4 °С. Кроме того, водяные термометры работали медленно, по полчаса.
Спиртосодержащие жидкости оказались более удачными. Сейчас уже сложно установить, кто именно был автором этой идеи. Сохранились только отдельные свидетельства об экспериментах Галилея и его учеников.
Примерно тогда же, в XVI–XVII веках, начало активно развиваться алхимическое учение, которое строилось на ртутно-серной теории. Так, несмотря на то, что спиртосодержащие термометры используются и сейчас, внимание людей переключилось на ртуть — благодаря удивительному свойству: ее объем при нагревании или охлаждении меняется равномерно, то есть в первом случае ртуть расширяется и поднимается по трубочке термометра вверх, а во втором — опускается.
Переход на ртуть позволил уменьшить время измерения температуры с получаса до нескольких минут. К тому же ртуть имеет широкий диапазон доступных для измерения значений — от –37 °С до +356 °С, что тоже служило в ее пользу.
Изобретателем первого работающего ртутного термометра стал голландский ученый Даниэль Фаренгейт. В 1714 году он собрал первый прибор на основе ртути, который обладал высокой точностью измерений, а в 1724 году создал свою шкалу температур, которая до сих пор используется в США. Первый медицинский термометр на основе ртути создал английский врач Клиффорд Оллбат в 1866 году. Этот термометр позволял снимать показания температуры менее чем за 5 минут, тогда как водным и водно-спиртовым требовалось для этого более 20.
Музей термометров © legion-media
Говорить о том, что ртуть опасна, не совсем верно. Она, как и любое вещество, может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Металлическая ртуть при нормальных условиях — это жидкость, которая не опасна. Но ртуть, как и любая жидкость, испаряется даже при комнатной температуре, и именно газообразная ртуть и представляет опасность. Испаряясь и попадая в легкие, она там и остается, отравляя организм: пары ртути слишком тяжелы по сравнению с воздухом, и их не получится выдохнуть. И хоть для нанесения вреда организму эти пары необходимо вдыхать на протяжении нескольких месяцев, убрать разбитый термометр лучше как можно скорее.
Первым делом необходимо открыть в помещении окна. Большие шарики ртути собрать с помощью маленькой кисточки на лист бумаги, по примеру совка, а мелкие убрать одноразовым шприцем или пипеткой. Выбрасывать в мусорное ведро их нельзя. Шарики ртути, так же как и части термометра, необходимо поместить в стеклянную банку с холодной водой, закрыть ее и поставить в прохладное место. Вода нужна, чтобы ртуть не испарялась.
Можно также посыпать место происшествия порошком серы, который продается в хозяйственных магазинах и магазинах для животных, или цинка, после чего подмести пол и промыть его с раствором марганцовки. Если же ни серы, ни цинка или марганцовки дома не оказалось, — приготовить горячий мыльно-содовый раствор, смешав 30 г соды и 40 г тертого мыла на один литр воды, и промыть пол им. Оставшиеся пары улетучатся во время проветривания помещения. Одежду, ковер и другие вещи, которые контактировали с ртутью, придется выбросить.
Затем нужно позвонить на телефон доверия регионального управления МЧС России или в местное управление по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям, которые обязаны забрать банку с шариками ртути и отправить на утилизацию.
Подобное серьезное отношение к вероятности получить вред вызвало запрет на ртутные термометры в странах ЕС. Вместо них там используются жидкостные, сделанные на основе подкрашенного спирта или галинстана — сплава олова, индия и галлия, или электрические термометры. В 2020 году планируется запретить градусники с ртутью и другие приборы, в которых содержится это вещество, и в России. А пока, как вариант, можно пользоваться термометром с защитным полимерным покрытием, которое не даст стеклу разбиться.
Источник
Маша Сысина
6 октября 2016 · 13,2 K
Принцип прост – при увеличении температуры жидкость расширяется, а поскольку она заключена в стеклянную трубочку, расширяться она может только в одну сторону. Для того, чтобы на показания термометра не влияло атмосферное давление, трубочка запаяна и из нее выкачан воздух.
Взаимосвязь выявили давно, правда сперва не для ртути, а для воды. О том что вода поднимается под действием тепла знал еще Герон Александрийский (а это I век нашей эры). Правда он не изобретал термометр, а наоборот, использовал тепло чтобы поднять воду в сосуде. Хотя вроде бы еще у египетских жрецов были “чудеса” на этом же принципе – при зажжении огня нагревалась вода, расширялась и переливалась в другой сосуд, который опускаясь под увеличившимся весом открывал двери храма.
Ртуть начали использовать относительно недавно, в 18 веке. Точнее, использовали ее и раньше, но сами термометры были основаны на тепловом расширении не самой ртути, а воздуха, который расширяясь выталкивал ртуть вверх по трубочке. Фактически, она была нужна только для того, чтобы показания термометра были видны. Наряду с ней использовалась подкрашенная вода и винный спирт – поскольку при низких температурах вода замерзала и стекло градусника разбивалось.
Первый ртутный термометр изобрел Фаренгейт, хотя и он сперва использовал спиртовые. Проблема спиртовых термометров была полностью противоположной проблеме водяных – спирт кипит раньше чем вода и поэтому спиртовой термометр можно было использовать только для измерения низких температур. Зато замерзает он при температурах ниже 100 градусов, поэтому для измерения низких температур он лучше ртутного. В уличных жидкостных термометрах до сих пор в основном используется подкрашенный спирт.
Что делать если разбили градусник?
Всем известно, что ртуть ядовита. Поэтому если вы разбили градусник, необходимо собрать всю ртуть в стакан с водой, а место куда она пролилась обработать раствором хлорного железа. Проветрите помещение, т.к. ртуть испаряется. Позвоните специалистам как вам быть с тряпками, бумажками, посудой с помощью которых вы это все убирали.
Прочитать ещё 2 ответа
Какие градусники лучше: которые надо сувать в рот или под подмышку; электронные или ртутные?
Однозначно лучше ртутные.
Относительно места измерения – это зависит от национальной медицинской традиции. Да – случаются забавные казусы, если больной иностранец. В принципе самое точное измерение в прямой кишке.
Кстати ртутные приборы точнее электронных и при измерении давления. Что атмосферного, что артериального.
Относительно вреда ртути. Ртуть не сахар (ртутные приборы для измерения сахара в крови тоже были лет 50-60 назад), но…
Ещё лет так 150 назад в случае инвагинации (заворота кишок) давали выпить СТАКАН ртути. И часто помогало. Ртуть тяжёлая, завернувшееся не так – вполне прилично расправляла. И пациенты потом жили довольно долго и иногда счастливо.
Прочитать ещё 2 ответа
Что делать, если дома разбился ртутный градусник, каковы будут последствия?
Не паникуйте. Вдыхание паров ртути очень опасно, поэтому максимально быстро нужно:
1. Вывести всех из комнаты, где разбился градусник,
2. Открыть окно для проветривания комнаты,
3. Плотно закрыть дверь в эту комнату. Не допуская сквозняков по квартире.
Позвоните в МЧС (112 у большинства операторов). Там дадут подробные инструкции. Не бойтесь звонить в МЧС, у них есть специальные инструкции для данного случая, вам подробно расскажут план действий.
В моем случае для уборки понадобились:
– Белизна, раствор с водой в определенном соотношении (1л белизны : 5л воды);
– Герметичная посуда для сбора ртути;
– скотч;
– тряпка;
– перчатки;
– обувь на непромокаемой подошве.
Смочить тряпку в растворе белизны и отделить ей площадь уборки ртути от остальной квартиры. При выходе из зоны уборки тщательно вытирать подошвы обуви о тряпку.
Сначала нужно в перчатках собрать максимальное количество ртути в герметичную емкость. Когда частицы ртути остались мельчайшие. похлопывающими движениями липкой стороной скотча необходимо собрать остатки. В случае попадания ртути в щели – нужно достать оттуда ртуть спицей или чем-то тонким.
Емкость с ртутью необходимо отвезти в спецпункты. У физлиц ртутные градусники принимают бесплатно. Так же в герметичные пакеты нужно убрать все, чем проводилась уборка: тряпка, перчатки, использованный скотч и пр. Телефоны и адреса спецпунктов вам сообщат во время звонка в МЧС.
Ни в коем случае нельзя выбрасывать ртутные градусники в обычный мусоропровод. Это крайне опасно и для вас, и для окружающих.
Прочитать ещё 16 ответов
Что вы делали когда в доме разбивался градусник?
Строго говоря, сама ртуть не является ядовитым металлом. Вредны лишь ее пары. То есть вредно, если какие-то шарики ртути закатились куда-то, например в щели в полу, и постепенно там испаряются в закрытом помещении. А собрать ртуть, даже раскатившуюся, достаточно несложно, например прекрасно смачивается ртутью кусочек меди, капельки ртути просто растекаются по нему. Затем, собрав ее таким образом, можно просто выбросить его куда-то, на улицу, на открытый воздух, подальше от мест, где есть люди.
Но, конечно, если есть такая возможность, следует сообщить специалистам, и предоставить им возможность все сделать правильно.
Прочитать ещё 1 ответ
Как собрать ртуть, если разбился градусник?
6 · 11 ответов · Наука
Разбил градусник 2 дня назад, всё убрали. Какой будет ущерб организму, если предположить, что, возможно, я дышал парами 1-2 шариков ртути?
1 · 3 ответа · Разбитый градусник
Как долго испаряется ртуть рассыпанная по комнате из градусника.
*2 года назад разбил градусник, переехал, теперь боюсь, вдруг тот кто там живет отравится?
3 ответа · Темы нет
Насколько опасна ртуть из одного разбившегося градусника?
3 ответа · Здоровье
Что произойдет с человеком, если температура его тела поднимется выше 42 градусов?
1 · 3 ответа · Темы нет
Источник
Ртутный медицинский термометр
Электронный медицинский термометр
Термо́метр (греч. θέρμη «тепло» + μετρέω «измеряю») — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее. Существует несколько видов термометров.
- жидкостные;
- механические;
- электронные;
- оптические;
- газовые;
- инфракрасные[en].
История изобретения[править | править код]
Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики, Нелли и Вивиани, засвидетельствовали, что уже в 1597 году он сделал нечто вроде термобароскопа (термоскоп). Галилей изучал в это время работы Герона Александрийского, у которого уже описано подобное приспособление, но не для измерения степеней тепла, а для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Шарик слегка нагревали и конец трубки опускали в сосуд с водой. Через некоторое время воздух в шарике охлаждался, его давление уменьшалось и вода под действием атмосферного давления поднималась в трубке вверх на некоторую высоту. В дальнейшем при потеплении давление воздуха в шарике увеличивалось и уровень воды в трубке понижался при охлаждении же вода в ней поднималась. При помощи термоскопа можно было судить только об изменении степени нагретости тела: числовых значений температуры он не показывал, так как не имел шкалы. Кроме того, уровень воды в трубке зависел не только от температуры, но и от атмосферного давления. В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учеными. Они снабдили прибор шкалой из бусин и откачали воздух из резервуара (шарика) и трубки. Это позволило не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел. Впоследствии термоскоп был изменен: его перевернули шариком вниз, а в трубку вместо воды налили бренди и удалили сосуд. Действие этого прибора основывалось на расширении тел, в качестве «постоянных» точек брали температуры наиболее жаркого летнего и наиболее холодного зимнего дня.
Изобретение термометра также приписывают лорду Бэкону, Роберту Фладду, Санториусу, Скарпи, Корнелиусу Дреббелю, Порте и Саломону де Коссу, писавшим позднее и частью имевшим личные отношения с Галилеем. Все эти термометры были воздушные и состояли из сосуда с трубкой, содержащего воздух, отделённый от атмосферы столбиком воды, они изменяли свои показания и от изменения температуры, и от изменения атмосферного давления.
Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia», разогревающими стекло на раздуваемом огне лампы и выделывающими из него удивительные и очень нежные изделия. Сначала эти термометры наполняли водой, но они лопались, когда она замерзала; употреблять для этого винный спирт начали в 1654 году по мысли великого герцога тосканского Фердинанда II. Флорентийские термометры не только изображены в «Saggi», но сохранились в нескольких экземплярах до нашего времени в Галилеевском музее, во Флоренции; их приготовление описывается подробно.
Сначала мастер должен был сделать деления на трубке, соображаясь с её относительными размерами и размерами шарика: деления наносились расплавленной эмалью на разогретую на лампе трубку, каждое десятое обозначалось белой точкою, а другие чёрными. Обыкновенно делали 50 делений таким образом, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40. Хорошие мастера делали такие термометры настолько удачно, что все они показывали одно и то же значение температуры при одинаковых условиях, однако такого не удавалось достигнуть, если трубку разделяли на 100 или 300 частей, чтобы получить большую точность. Наполняли термометры посредством подогревания шарика и опускания конца трубки в спирт, заканчивали наполнение при помощи стеклянной воронки с тонко оттянутым концом, свободно входившим в довольно широкую трубку. После регулирования количества жидкости, отверстие трубки запечатывали сургучом, называемым «герметическим». Из этого ясно, что эти термометры были большими и могли служить для определения температуры воздуха, но были ещё неудобны для других, более разнообразных опытов, и градусы разных термометров были не сравнимы между собою.
В 1703 г. Амонтон (англ. Guillaume Amontons) в Париже усовершенствовал воздушный термометр, измеряя не расширение, а увеличение упругости воздуха, приведённого к одному и тому же объёму при разных температурах подливанием ртути в открытое колено; барометрическое давление и его изменения при этом принимались во внимание. Нулём такой шкалы должна была служить «та значительная степень холода», при которой воздух теряет всю свою упругость (то есть современный абсолютный нуль), а второй постоянной точкой — температура кипения воды. Влияние атмосферного давления на температуру кипения ещё не было известно Амонтону, а воздух в его термометре не был освобождён от водяных газов; поэтому из его данных абсолютный нуль получается при −239,5° по шкале Цельсия. Другой воздушный термометр Амонтона, выполненный очень несовершенно, был независим от изменений атмосферного давления: он представлял сифонный барометр, открытое колено которого было продолжено кверху, снизу наполнено крепким раствором поташа, сверху нефтью и оканчивалось запаянным резервуаром с воздухом.
Современную форму термометру придал Фаренгейт и описал свой способ приготовления в 1723 г. Первоначально он тоже наполнял свои трубки спиртом и лишь под конец перешёл к ртути. Нуль своей шкалы он поставил при температуре смеси снега с нашатырём или поваренной солью, при температуре «начала замерзания воды» он показывал 32°, а температура тела здорового человека во рту или под мышкой была эквивалентна 96°. Впоследствии он нашёл, что вода кипит при 212° и эта температура была всегда одна и та же при том же состоянии барометра. Сохранившиеся экземпляры термометров Фаренгейта отличаются тщательностью исполнения.
Окончательно установил обе постоянные точки, тающего льда и кипящей воды, шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 г. Но первоначально он ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. В своей работе Цельсий «Observations of two persistent degrees on a thermometer» рассказал о своих экспериментах, показывающих, что температура плавления льда (100°) не зависит от давления. Он также определил с удивительной точностью, как температура кипения воды варьировалась в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что отметку 0 (точку кипения воды) можно откалибровать, зная на каком уровне относительно моря находится термометр.
Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды). В таком виде шкала оказалась очень удобной, получила широкое распространение и используется до нашего времени.
По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим — шкалу перевернул преемник Цельсия М.Штремер и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под именем «шведский термометр», а в самой Швеции — под именем Штремера, но известнейший шведский химик Иоганн Якоб в своем труде «Руководства по химии» по ошибке назвал шкалу М. Штремера цельсиевой шкалой и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.
Работы Реомюра в 1736 г. хотя и повели к установлению 80° шкалы, но были скорее шагом назад против того, что сделал уже Фаренгейт: термометр Реомюра был громадный, неудобный в употреблении, а его способ разделения на градусы был неточным и неудобным.
После Фаренгейта и Реомюра дело изготовления термометров попало в руки ремесленников, так как термометры стали предметом торговли.
В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: −273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.
Жидкостные термометры[править | править код]
Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.
Жидкостные термометры подразделяются на ртутные и термометры с не ртутным заполнением. Последние применяются не только из-за экономических соображений, а также из-за использования широкого диапазона температур. Так, в термометрии, в качестве нертутного заполнения термометров используются вещества: спирты (этиловый, метиловый, пропиловый), пентан, толуол, сероуглерод, ацетон, таллиевая амальгама и галлий.[1]
В связи с тем, что с 2020 года ртуть будет под запретом во всём мире[2][3] из-за её опасности для здоровья[4], во многих областях деятельности ведётся поиск альтернативных наполнений для бытовых термометров. Например, такой заменой стал галинстан (сплав металлов: галлия, индия, олова и цинка). Галлий применяют для измерения высоких температур. Также ртутные термометры все чаще с большим успехом заменяются платиновыми или медными термометрами сопротивления. Также все шире применяются и другие типы термометров.
Об удалении разлившейся ртути из разбитого термометра см. статью Демеркуризация
Механические термометры[править | править код]
Оконный механический термометр
Термометры этого типа действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.
Электронные термометры[править | править код]
Уличный электронный термометр
Принцип работы электронных термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды.
Электронные термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).
Наиболее точными и стабильными во времени являются термометры сопротивления на основе платиновой проволоки или платинового напыления на керамику. Наибольшее распространение получили PT100 (сопротивление при 0 °C — 100Ω) PT1000 (сопротивление при 0 °C — 1000Ω) (IEC751). Зависимость от температуры почти линейна и подчиняется квадратичному закону при положительной температуре и уравнению 4 степени при отрицательных (соответствующие константы весьма малы, и в первом приближении эту зависимость можно считать линейной). Температурный диапазон −200 — +850 °C.
Отсюда,
сопротивление при T °C,
сопротивление при 0 °C, и константы (для платинового сопротивления) —
- см. Эффект Пельтье
Оптические термометры[править | править код]
Оптические термометры позволяют регистрировать температуру благодаря изменению уровня светимости, спектра и иных параметров (см. Волоконно-оптическое измерение температуры) при изменении температуры. Например, инфракрасные измерители температуры тела.
Инфракрасные термометры[править | править код]
Инфракрасный термометр позволяет измерять температуру без непосредственного контакта с человеком. В 2014 году Россия подписала Минаматскую конвенцию о ртути, и к 2030 году Россия откажется от производства ртутных термометров.[5]В некоторых странах уже давно имеется тенденция отказа от ртутных термометров в пользу инфракрасных не только в медицинских учреждениях, но и на бытовом уровне.
Технические термометры[править | править код]
Технические термометры используются на предприятиях в сельском хозяйстве, нефтехимической, химической, горно-металлургической промышленностях, в машиностроении, жилищно- коммунальном хозяйстве, транспорте, строительстве, медицине, словом во всех жизненных сферах.
Выделяют такие виды технических термометров:
- термометры технические жидкостные
- термометры биметаллические ТБ, ТБТ, ТБИ;
- термометры сельскохозяйственные ТС-7А-М
- термометры максимальные СП-83;
- термометры для спецкамер низкоградусные СП-100;
- термометры специальные вибростойкие СП-1;
- термометры ртутные электроконтактные ТПК;
- термометры лабораторные ТЛ;
- термометры для нефтепродуктов ТН;
- термометры для испытаний нефтепродуктов ТИН.
Максимальные и минимальные термометры[править | править код]
По виду фиксации предельного значения температуры термометры разделяются на максимальные, минимальные и нефиксирующие[6]. Минимальный/максимальный термометр показывает минимальное/максимальное значение температуры, достигнутое с момента сброса. Так, медицинский ртутный термометр является максимальным — он показывает максимальное значение температуры, достигнутое в ходе измерения, благодаря узкой «шейке» между ртутным резервуаром и капилляром, в которой при уменьшении температуры столбик ртути разрывается, и ртуть не уходит обратно в резервуар из капилляра. Перед измерением фиксирующий (максимальный или минимальный) термометр должен быть сброшен (приведён к значению заведомо ниже/выше измеряемой температуры).
Газовый термометр[править | править код]
Газовый термометр — прибор для измерения температуры, основанный на законе Шарля.
В 1703 году Шарль установил, что одинаковое нагревание любого газа приводит к почти одинаковому повышению давления, если при этом объём остается постоянным. При изменении температуры по шкале Кельвина давление идеального газа в постоянном объёме прямо пропорционально температуре. Отсюда следует, что давление газа (при V = const) можно принять в качестве количественной меры температуры. Соединив сосуд, в котором находится газ, с манометром и проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.
В широких пределах изменений концентраций газов и температур и малых давлениях температурный коэффициент давления разных газов примерно одинаков, поэтому способ измерения температуры с помощью газового термометра оказывается малозависящим от свойств конкретного вещества, используемого в термометре в качестве рабочего тела. Наиболее точные результаты получаются, если в качестве рабочего тела использовать водород или гелий.
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистической физики. — Изд. 2-е, перераб. и дополн.. — М.: Высшая школа, 1981. — 536 с.
- Лермантов В. В. Термометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 5 изд., испр.. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.
Ссылки[править | править код]
- Европа наложила запрет на ртуть в термометрах / membrana, 11 июля 2007
- Термометр медицинский цифровой прецизионный / Мир Измерений, 01.09.2010[неавторитетный источник?]
- Ртутный термометр (Домашний советник) [неавторитетный источник?]
Источник