Ртутный стеклянный или ртутный термометр — это термометр , который использует тепловое расширение и сжатие жидкой ртути для определения температуры .
Обычный ртутный термометр представляет собой тщательно изготовленный кусок стекла в форме трубки , окружающий резервуар, наполненный ртутью, соединенный с чрезвычайно тонким каналом, называемым капиллярным отверстием , который представляет собой камеру, в которую может расширяться ртуть из резервуара. Более короткий выпуклый конец трубки, содержащей резервуар, называется колбой , а более длинный и узкий конец с отверстием называется стержнем . На ножке или на тщательно выровненной пластине рядом с ней выгравирована градуированная температурная шкала . Более низкие температуры наблюдаются возле луковицы, а более высокие – возле верхушки стебля. Пространство над ртутью может быть заполнено газообразным азотом или находиться при давлении ниже атмосферного , то есть в частичном вакууме . [1]
По мере изменения температуры окружающей среды ртуть термически расширяется и сжимается, заставляя ее перемещаться из резервуара или в него и в то же время подниматься или опускаться через отверстие. Хотя изменения объема ртути незначительны около 0,018% на каждый градус Цельсия [2] – небольшой объем канала по сравнению с объемом колбы визуально усиливает изменения. Эта конструктивная особенность приводит к четко видимому перемещению ртути вверх или вниз по шкале, что позволяет точно измерять температуру.
Чтобы откалибровать термометр, колбу доводят до теплового равновесия с эталоном температуры, таким как смесь льда и воды, а затем с другим стандартом, таким как вода/пар, и трубку делят на равные промежутки между фиксированными точками. . В принципе, можно ожидать, что термометры , изготовленные из разных материалов (например, цветные спиртовые термометры ), будут давать разные промежуточные показания из-за разных свойств расширения; на практике используемые вещества выбираются так, чтобы иметь достаточно линейные характеристики расширения в зависимости от термодинамической температуры и, таким образом, давать аналогичные результаты.
Самое раннее задокументированное использование ртути в термометре относится, возможно, к 1620-м годам, когда ученый-иезуит Афанасий Кирхер использовал ртуть для своего воздушного термометра, предшественника стеклянных термометров. [3] : 23 Позже, в 1650-х годах, были проведены неудачные эксперименты, чтобы определить, может ли ртуть быть лучшей заменой спиртных напитков в закрытом стеклянном термометре. В 1659 году астроном Исмаэль Бульо отказался от использования ртути, когда обнаружил, что она не так реагирует на изменения температуры, как спирты. [3] : 36–38
В 1713 году Даниэль Габриэль Фаренгейт начал экспериментировать с ртутными термометрами. К 1717 году он начал производить их на коммерческой основе. [3] : 79 Превосходство его ртутных термометров над термометрами на спиртовой основе сделало их очень популярными, что привело к широкому распространению его шкалы Фаренгейта, системы измерения, которую он разработал и использовал для своих термометров. [4]
Андерс Цельсий , шведский учёный, разработал шкалу Цельсия, которая была описана в его публикации « Происхождение температурной шкалы Цельсия» в 1742 году.
Для определения своей шкалы Цельсий использовал две фиксированные температурные точки: температуру таяния льда и температуру кипящей воды, обе при атмосферном давлении стандартной атмосферы . Это не была новая идея, поскольку Исаак Ньютон уже работал над чем-то подобным. Отличие Цельсия заключалось в использовании условия плавления, а не замерзания. Эксперименты по достижению хорошей калибровки его термометра продолжались две зимы. Проводя один и тот же эксперимент снова и снова, он обнаружил, что лед всегда тает при одной и той же калибровочной отметке на термометре. Он нашел аналогичную фиксированную точку при калибровке кипящей воды по водяному пару (когда это будет сделано с высокой точностью, будут видны изменения в зависимости от атмосферного давления; Цельсий заметил это). В тот момент, когда он вынул термометр из пара, уровень ртути слегка поднялся. Это было связано с быстрым охлаждением (и сжатием) стекла.
Когда Цельсий решил использовать свою собственную температурную шкалу, он первоначально определил свою шкалу «перевернутой», то есть он решил установить точку кипения чистой воды на уровне 0 °C (212 °F), а точку замерзания — на уровне 100 °C ( 32 °Ф). [5] Год спустя француз Жан-Пьер Кристин предложил инвертировать шкалу с точкой замерзания 0 ° C (32 ° F) и точкой кипения 100 ° C (212 ° F). [6] Он назвал его стоградусным (100 шагов).
Наконец, Цельсий предложил метод калибровки термометра:
Этих точек достаточно для приблизительной калибровки, но точки замерзания и кипения воды изменяются в зависимости от атмосферного давления. Более поздние термометры, в которых использовалась жидкость, отличная от ртути, также давали несколько иные показания температуры. На практике эти изменения были очень незначительными и оставались близкими к термодинамической температуре после ее открытия. Эти вопросы были исследованы экспериментально с помощью газового термометра . До открытия истинной термодинамической температуры температуру обычно определяли с помощью ртутного термометра.
Современные термометры часто калибруются с использованием тройной точки воды вместо точки замерзания; тройная точка находится при температуре 273,16 Кельвина (К), 0,01 ° C.
Один особый вид стеклянного ртутного термометра, называемый максимальным термометром, работает за счет сужения горлышка рядом с колбой. По мере повышения температуры ртуть выталкивается вверх через сужение под действием силы расширения. При понижении температуры столбик ртути разрывается в месте сужения и не может вернуться в колбу, оставаясь неподвижным в трубке. Затем наблюдатель может определить максимальную температуру за установленный период времени. Для сброса термометра его необходимо резко качнуть. Эта конструкция используется в традиционном медицинском термометре .
Максимально-минимальный термометр, также известный как термометр Шести , представляет собой термометр, который регистрирует максимальную и минимальную температуру, достигнутую за определенный период времени, обычно за 24 часа. Оригинальная конструкция содержит ртуть, но исключительно для обозначения положения столбика спирта, расширение которого указывает на температуру; это не термометр, работающий за счет расширения ртути; Доступны безртутные версии.
Ртутные термометры охватывают широкий диапазон температур от -37 до 356 ° C (от -35 до 673 ° F); Верхний температурный диапазон прибора можно расширить за счет введения инертного газа, такого как азот. Такое введение инертного газа увеличивает давление на жидкую ртуть и, следовательно, повышает ее температуру кипения. Это в сочетании с заменой стекла Pyrex плавленым кварцем позволяет расширить верхний температурный диапазон до 800 ° C (1470 ° F).
Ртуть нельзя использовать при температуре ниже температуры, при которой она становится твердой , -38,83 °C (-37,89 °F). Если термометр содержит азот, газ может стекать в колонку при затвердевании ртути и задерживаться там при повышении температуры, делая термометр непригодным для использования до тех пор, пока он не будет возвращен на завод для ремонта. Чтобы избежать этого, некоторые метеорологические службы требуют, чтобы все ртутные термометры переносились в помещение, когда температура падает до -37 ° C (-35 ° F).
Для измерения более низких метеорологических температур можно использовать термометр, содержащий ртутно- таллиевый сплав , который не затвердевает до тех пор, пока температура не упадет до -61,1 °C (-78,0 °F).
По состоянию на 2012 год в метеорологии[обновлять] используется множество ртутных термометров ; однако они становятся все более редкими для других целей, поскольку многие страны запретили их использование в медицинских целях из-за токсичности ртути. Некоторые производители используют галинстан , жидкий сплав галлия , индия и олова , в качестве замены ртути.
Типичный «термометр лихорадки» содержит от 0,5 до 3 г (0,28–1,69 драхмы ) элементарной ртути. [7] [8] Проглатывание такого количества ртути не представляет особой опасности, но вдыхание паров может привести к проблемам со здоровьем. [9]
В феврале 2009 года Министерство здравоохранения Аргентины в резолюции 139/09 поручило всем медицинским центрам и больницам закупить безртутные термометры и измерители артериального давления , а также призвало стоматологов , медицинских техников и специалистов по гигиене окружающей среды начать устранение этого токсина. [11] По состоянию на 2020 год [обновлять]ртутные термометры все еще продавались в аптеках .
В соответствии с Федеральным планом управления отходами 2006 года была проведена добровольная акция по возврату термометров, содержащих ртуть, которая осуществлялась в тесном сотрудничестве между Австрийской фармацевтической палатой (Österreichische Apothekerkammer), Федеральным министерством окружающей среды, частным предприятием по утилизации отходов, производитель электронных термометров и фармацевтический дистрибьютор. Компания по утилизации снабдила каждую аптеку (около 1200) контейнером для сбора мусора и покрыла расходы на утилизацию. Фармацевтический дистрибьютор взял на себя логистические затраты на распространение термометров. Аптеки приняли возмещение всего в размере 0,50 евро за один термометр (что намного ниже их обычной суммы). Поставщик предоставил термометры по сниженной цене. Федеральное министерство поддерживало каждый проданный термометр (покрывая около 30% прямых затрат) и рекламировало проект. В период сбора потребители могли принести ртутный термометр и купить электронный термометр по субсидированной цене в 1 евро. С октября 2007 года по январь 2008 года было продано около 465 000 электронных термометров и собрано около миллиона ртутных термометров (вместе содержащих около 1 тонны ртути). [12]
Административным приказом Министерства здравоохранения Филиппин 2008-0221 все ртутное оборудование в больницах, включая стеклянные ртутные термометры, должно было быть выведено из обращения на Филиппинах к 28 сентября 2010 года. больницы уже запретили использование ртути в своих учреждениях. Среди этих пятидесяти больниц Филиппинский кардиологический центр был первым, кто сделал это. Больница Сан-Хуан-де-Диос , Филиппинский детский медицинский центр , больница Сан-Лазаро , больница нг Мунтинлупа , пульмонологический центр Филиппин , Национальный институт почек и трансплантации , адвентистский медицинский центр Манилы и больница Лас-Пиньяс также предприняли шаги по запрету токсичного химического вещества. Страна была первой, кто сделал шаг к запрету использования ртути в своей системе здравоохранения в Юго-Восточной Азии, и вместо этого они использовали безртутные цифровые термометры. [13] [14]
С момента вступления в силу директивы Европейского Союза 2007/51/EC 3 апреля 2009 года Агентство по охране здоровья Великобритании (HPA) сообщило, что ртутные термометры больше не могут продаваться населению. Магазинам, имеющим запасы непроданных термометров, пришлось изъять их из продажи; ртутные термометры, приобретенные до этой даты, можно использовать без юридических последствий. Целью этих ограничений является защита окружающей среды и здоровья населения за счет уменьшения количества выбрасываемых ртутных отходов. [15] В 2007 году HPA выпустило руководство по борьбе с небольшими разливами ртути. [16]
Несмотря на постепенный отказ от ртутных термометров в Соединенном Королевстве, британские СМИ продолжают называть измерения температуры , особенно для прогнозов погоды , «ртутью». [17]
В США и Американская академия педиатрии [18], и Агентство по охране окружающей среды США [19] рекомендуют использовать в домашних условиях альтернативные термометры. [18]
1743 г. Жан-Пьер Кристин инвертирует фиксированные точки шкалы Цельсия, чтобы получить шкалу, используемую сегодня.
* оральные/ректальные/детские термометры, содержащие около 0,61 грамма ртути; и
* термометры базальной температуры, содержащие около 2,25 граммов ртути.