Ртутный термометр — это термометр , который использует тепловое расширение и сжатие жидкой ртути для индикации температуры .
Обычный ртутный термометр представляет собой точно изготовленный кусок стекла в форме трубки , охватывающий заполненный ртутью резервуар, соединенный с чрезвычайно тонким каналом, называемым капиллярным отверстием , который обеспечивает камеру, в которую может расширяться ртуть из резервуара. Более короткий, выпуклый конец трубки, содержащий резервуар, называется колбой , а более длинный, узкий конец с отверстием называется стержнем . На стержне или на тщательно выровненной пластине рядом с ним выгравирована градуированная температурная шкала . Более низкие температуры находятся вблизи колбы, а более высокие температуры - вблизи верхней части стержня. Пространство над ртутью может быть заполнено газообразным азотом или может находиться под давлением ниже атмосферного , в частичном вакууме . [1]
При изменении температуры окружающей среды ртуть термически расширяется и сжимается, заставляя ее выходить из резервуара или входить 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 отверстия по сравнению с объемом колбы визуально усиливает изменение. Эта конструктивная особенность приводит к четко видимому перемещению ртути вверх или вниз по шкале, что позволяет получать точные показания температуры.
Для калибровки термометра шарик должен достичь теплового равновесия с эталоном температуры, например, смесью льда и воды, а затем с другим эталоном, например, водой и паром, а трубка разделена на регулярные интервалы 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 они имели разумные линейные характеристики расширения в зависимости от термодинамической температуры , и поэтому дают схожие результаты.
Самое раннее задокументированное использование ртути в термометре относится, возможно, к 1620-м годам, когда иезуитский ученый 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 спирта в закрытом стеклянном термометре. В 1659 году астроном Исмаэль Бульо отказался от использования ртути, когда определил, что она не так чувствительна к изменениям температуры, как спирт. [3] : 36–38
В 1713 году Даниэль Габриэль Фаренгейт начал экспериментировать с ртутными термометрами. К 1717 году он уже производил их в коммерческих целях. [3] : 79 Превосходство его ртутных термометров над спиртовыми сделало их очень популярными, что привело к широкому принятию его шкалы Фаренгейта, системы измерения, которую он разработал и использовал для своих термометров. [4]
Шкалу Цельсия разработал шведский ученый Андерс Цельсий , которая была описана в его работе «Происхождение температурной шкалы Цельсия» в 1742 году.
Для определения своей шкалы Цельсий использовал две фиксированные температурные точки: температуру таяния льда и температуру кипения воды, обе при атмосферном давлении стандартной атмосферы . Это была не новая идея, так как Исаак Ньютон уже работал над чем-то подобным. Отличительной чертой Цельсия было использование условия таяния, а не замерзания. Эксперименты по достижению хорошей калибровки его термометра длились 2 зимы. Проводя один и тот же эксперимент снова и снова, он обнаружил, что лед всегда таял на одной и той же калибровочной отметке на термометре. Он нашел похожую фиксированную точку при калибровке кипящей воды по водяному пару (когда это делается с высокой точностью, будет видно изменение с атмосферным давлением; Цельсий это заметил). В тот момент, когда он вынул термометр из пара, уровень ртути немного поднялся. Это было связано с быстрым охлаждением (и сжатием) стекла.
Когда Цельсий решил использовать собственную температурную шкалу, он изначально определил ее «в перевернутом виде», то есть он решил установить точку кипения чистой воды на 0 °C (212 °F), а точку замерзания на 100 °C (32 °F). [5] Год спустя француз Жан-Пьер Кристин предложил перевернуть шкалу с точкой замерзания на 0 °C (32 °F), а точкой кипения на 100 °C (212 °F). [6] Он назвал ее стоградусной (100 ступеней).
Наконец, Цельсий предложил метод калибровки термометра:
Эти точки подходят для приблизительной калибровки, но как температура замерзания, так и температура кипения воды изменяются в зависимости от атмосферного давления. Более поздние термометры, в которых использовалась жидкость, отличная от ртути, также давали немного отличающиеся показания температуры. На практике эти изменения были очень незначительными и оставались близкими к термодинамической температуре, как только последняя была открыта. Эти вопросы были исследованы экспериментально с помощью газового термометра . До открытия истинной термодинамической температуры ртутный термометр обычно определял температуру.
Современные термометры часто калибруются с использованием тройной точки воды вместо точки замерзания; тройная точка находится при 273,16 кельвина (К), 0,01 °C.
Один особый вид ртутного стеклянного термометра, называемый максимальным термометром, работает, имея сужение в горлышке рядом с шариком. По мере повышения температуры ртуть выталкивается вверх через сужение силой расширения. Когда температура падает, столбик ртути разрывается в сужении и не может вернуться в шарик, таким образом оставаясь неподвижным в трубке. Затем наблюдатель может считать максимальную температуру за установленный период времени. Чтобы сбросить термометр, его нужно резко повернуть. Такая конструкция используется в традиционном типе медицинского термометра .
Максимально-минимальный термометр, также известный как термометр Сикса , — это термометр, который регистрирует максимальную и минимальную температуру, достигнутую за определенный период времени, обычно за 24 часа. Оригинальная конструкция содержит ртуть, но исключительно как способ указать положение столбика спирта, расширение которого указывает на температуру; это не термометр, работающий за счет расширения ртути; доступны версии без ртути.
Ртутные термометры охватывают широкий диапазон температур от −37 до 356 °C (от −35 до 673 °F); верхний температурный диапазон прибора может быть расширен путем введения инертного газа, например азота. Это введение инертного газа увеличивает давление на жидкую ртуть и, следовательно, ее точка кипения увеличивается, это в сочетании с заменой стекла Pyrex на плавленый кварц позволяет расширить верхний температурный диапазон до 800 °C (1470 °F).
Ртуть нельзя использовать ниже температуры, при которой она становится твердой , −38,83 °C (−37,89 °F). Если термометр содержит азот, газ может стекать в колонку, когда ртуть затвердевает, и задерживаться там при повышении температуры, делая термометр непригодным для использования до тех пор, пока он не будет возвращен на завод для восстановления. Чтобы избежать этого, некоторые метеорологические службы требуют, чтобы все ртутные стеклянные термометры заносились в помещение, когда температура падает до −37 °C (−35 °F).
Для измерения более низких метеорологических температур можно использовать термометр, содержащий сплав ртути и таллия , который не затвердевает, пока температура не упадет до -61,1 °C (-78,0 °F).
По состоянию на 2012 год [update]многие ртутные стеклянные термометры используются в метеорологии ; однако они становятся все более редкими для других целей, поскольку многие страны запретили их для медицинского использования из-за токсичности ртути . Некоторые производители используют галинстан , жидкий сплав галлия , индия и олова , в качестве замены ртути.
Типичный «термометр для измерения температуры» содержит от 0,5 до 3 г (от 0,28 до 1,69 драхмы ) элементарной ртути. [7] [8] Проглатывание такого количества ртути не представляет большой опасности, но вдыхание паров может привести к проблемам со здоровьем. [9]
В феврале 2009 года Министерство здравоохранения Аргентины в резолюции 139/09 предписало всем медицинским центрам и больницам закупать термометры и тонометры без содержания ртути и призвало стоматологов , медицинских техников и специалистов по охране окружающей среды начать устранение этого токсина. [11] По состоянию на 2020 год [update]ртутные термометры все еще продавались населению в аптеках .
Была проведена добровольная акция по возврату термометров, содержащих ртуть, на основе Федерального плана по управлению отходами 2006 года, и проведена в тесном сотрудничестве между Австрийской палатой фармацевтов (Österreichische Apothekerkammer), Федеральным министерством охраны окружающей среды, частной компанией по утилизации отходов, производителем электронных термометров и фармацевтическим дистрибьютором. Компания по утилизации предоставила каждой аптеке (примерно 1200) контейнер для сбора и покрыла расходы на утилизацию. Фармацевтический дистрибьютор покрыл логистические расходы на распространение термометров. Аптеки приняли возврат только 0,50 евро за термометр за обработку (что намного ниже их обычной маржи). Поставщик предоставил термометры по сниженной цене. Федеральное министерство поддержало каждый проданный термометр (покрыв около 30% прямых затрат) и рекламировало проект. В период сбора потребители могли принести ртутный термометр и купить электронный термометр по субсидированной цене 1 евро. В период с октября 2007 года по январь 2008 года было продано около 465 000 электронных термометров и собрано около миллиона ртутных термометров (в общей сложности содержащих около 1 тонны ртути). [12]
Согласно административному распоряжению Министерства здравоохранения Филиппин 2008-0221, все ртутное оборудование в больницах, включая ртутные стеклянные термометры, должно было быть поэтапно выведено из эксплуатации на Филиппинах к 28 сентября 2010 года. Еще до того, как распоряжение было выпущено, 50 больниц 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 Мунтинлупа , Филиппинский легочный центр , Национальный институт почек и трансплантологии , Манильский адвентистский медицинский центр и больница Лас-Пиньяс также предприняли шаги по запрету этого токсичного химиката. Страна была первой, кто предпринял шаг по запрету 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. Магазины, хранящие запасы нераспроданных термометров, должны были изъять их из продажи; ртутные термометры, купленные до этой даты, можно было использовать без юридических последствий. Целью этих ограничений является защита окружающей среды и здоровья населения за счет сокращения 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 Соединенных Штатах Американская академия педиатрии [18] и Агентство по охране окружающей среды США [19] рекомендуют использовать альтернативные термометры в домашних условиях. [18]
Жан-Пьер Кристин переворачивает фиксированные точки шкалы Цельсия, создавая шкалу, используемую сегодня.
оральные/ректальные/детские термометры, содержащие около 0,61 грамма ртути; и
* базальные термометры, содержащие около 2,25 грамма ртути.