5.1. Ртутные термометры

Наиболее простым прибором для измерения температуры является жидкостной (ртутный, галлиевый, спиртовой) термометр. Ртутный термометр применяют для измерения температур от -30 до +630 °С, а в отдельных случаях и до 800 "С. Ртутный термометр состоит из почти цилиндрического резервуара, заполненного ртутью, и вакуумированной капиллярной трубки. Ртутные термометры бывают палочными (толстостенный капилляр, шкала снаружи) (рис. 88, а) и трубчатыми с вставной пластинкой (рис. 88,б-д), на которой нанесена температурная шкала.

Нижняя граница области применения ртутных термометров определяется температурой затвердевания ртути (-38,87 °С), а верхняя - температурой кипения ртути при давлении 0,1 МПа (1 атм) (+356,58 СС). Тем не менее возможно применение ртутных термометров и для измерения более высоких температур. В этом случае их готовят из кварцевого стекла, а капилляры заполняют азотом или аргоном под значительным давлением. В частности, для температур от 300 до 500 °С давление в капилляре составляет 1,5 МПа.

Ртутные термометры не обладают высокой точностью измерения температуры (предел точности 0,001 °С), но зато они удобны в обращении, а их стеклянная оболочка в достаточной мере термически и химически устойчива. Сравнительно большие размеры ртутного резервуара не позволяют применять жидкостные термометры для измерения температур малых объектов Непригодны ртутные термометры и для дистанционного измерения температуры.

Палочные термометры (рис. 88, а) представляют собой толстостенные капиллярные трубки с внешним диаметром 5-8 мм на внешней стороне которых вытравлены деления, закрашеннь,е черной или красной краской.

Рис. 88. Ртутные стеклянные термометры: палочный (а), с вставной пластинкой {б- г) и со шлифом (Э):

I - предохранительное расширение; 2 - капилляр; 3 - расширение капилляра; 4 - ртутный резервуар; 5- пробка; 6 - вставная шкала; 7- шлиф

Такие термометры обладают достаточной механической прочностью и виброустойчивостью. Палочные термометры применяют для измерения высоких температур. Эталонные термометры делают всегда палочными.

Недостатком этих термометров является то, что они имеют узкий капилляр, в котором движение ртути при медленном изменении температуры может прекратиться на некоторое время из-за капиллярного сопротивления. Чтобы устранить "мертвый ход" ртути, перед отсчетом следует слегка постучать по боку термометра пальцем или стеклянной палочкой с резиновым наконечником.

Термометры с пластинкой - трубчатые тонкостенные термометры с вложенной пластинкой 6 (см. рис. 88, б) из молочного стекла, на которой нанесены деления. Пластинка расположена сзади капилляра 2 и скреплена с ним. Недостаток таких термометров - возможность смешения пластинчатой шкалы относительно капилляра. Термометры с удлиненной ножкой с ртутным Резервуаром (рис. 88, в) применяют для контроля в сосудах с Узким горлом или имеющих значительную высоту.

Термометры с изогнутым капилляром (рис. 88, г) применяют для измерения температур объектов, имеющих только боковые отверстия. Термометры со шлифом (рис, 88, д) могут иметь ножку различной длины. Их используют в сосудах, имеющих пришлифованные горла или тубусы.

Рис. 89. Термометр Бекмана: общий вид (в) и верхняя часть (б):

1 - камера; 2, 9 - капилляры; 3 - вспомогательная шкала; 4 - разделительная капельница 5, 7 - расширенные части капилляров; ( I основной резервуар; 8 - основная шкала

Термометры Аншютца - укороченные термометры, рассчитанные на определенный узкий интервал температур, например 100, 110, 260-270 °С. Ими измеряют температуры от -30 до +300 °с. Такие термометры имеют на капилляре расширение выше метки 0 °С, и рабочий интервал температур зависит от размеров этого дополнительного резервуара. Цена деления шкалы термометров Аншютца 0,5 °С.

Применяют такие термометры для измерения температур в малогабаритных сосудах.( Аншютц Рихард (1852-1937) - немецкий профессор органической химии Бонского университета.)

Для точного измерения небольшой разности температур (не выше 5 °С) в температурном интервале от 20 до 150 °С применяют термометры Бекмана.

Термометры Бекмана, или метастатические термометры (рис. 89), имеют основную шкалу 8 длиной 25-30 см, поделенную всего на 1-5 градусов, с отметками между ними каждые 0,01 ^oC. В верхней части термометра расположена сифонообразная камера 1, в которую переливают часть ртути из нижнего резервуара 6, или наоборот. Чем выше интервал измеряемых температур, тем больше ртути должно быть перелито из нижнего резервуара 6 в верхнюю камеру /. Термометр помимо основной имеет еше вспомогательную шкалу 3 для предварительного определения нижнего предела измерения при переливании ртути из резервуара 6 в камеру 1.

При настройке термометра на более низкие температуры, наоборот, часть ртути из верхней камеры переливают в основной резервуар. Для этого термометр переворачивают верхней частью вниз и, слегка постукивая пальцем, загоняют каплю ртути 8 расширение 7. Затем переворачивают термометр и согревают рукой нижний ртутный резервуар 6 или опускают его в стакан с подогретой водой.

Рис. 90. Термометр Сикса (а) и ртутно-паровой термометр (б): а: I - капилляр; 2 - баллончик; 3 - воронка; 4 - железный поплавок; б: I - сужение; 2, 6- трубки; 3 - спиральная трубка; 4 - капилляр; 5 - сосуд: 7 - жидкость; * - сосуд Дьюара

Столбик ртути, поднимающийся из нижнего резервуара, должен соединиться с капелькой ртути, находящейся в расширении 7. При охлаждении капелька ртути вместе со столбиком ртути уходит в капилляр 9. Эту операцию несколько раз повторяют. Когда перетечет достаточное количество ртути, термометр следует взять за середину и путем осторожного постукивания об руку вызвать разрыв ртути в месте перехода капилляра 9 в расширение 7. В случае же излишка ртути в основном резервуаре 6 термометр следует подогреть так, чтобы ртуть вошла в расширение 7, и затем, постукивая об руку, вызвать отделение капелек ртути от общей массы.

Настроенный термометр нельзя класть на стол. Он должен быть укреплен вертикально за головку в штативе. Точность термометра Бекмана при измерении разности температур составляет 0,001 °С, если отсчет производить при помощи лупы или оптической трубы. (Бекман Эрнст Отто (1853-1923) - немецкий профессор химии. Свой термометр сконструировал в 1888 г. для определения молярной массы растворенных веществ криоскопическим методом.)

Термометр Сикса. Его применяют для фиксирования достигнутых максимальных или минимальных значений температур Рис. 90, а).

Он заполняется двумя жидкостями: нижняя часть термометра заполнена ртутью 1, а над ней в капилляре и резервуаре 2 находится бензол или этанол. В обоих плечах термометра на ртути плавают железные поплавки 4 в виде отрезков стальной проволоки длиной 5-10 мм и диаметром чуть меньше диаметра капилляра. Поплавки сдвигаются при подъеме ртути ц остаются на месте при обратном ее движении. Максимальное к минимальное значение температуры за какой-то промежуток времени определяют по положению поплавков. В исходном положении на поверхность столбиков ртути поплавки устанавливают с помощью магнита.

Ртутно-паровые термометры (рис. 90, б) применяют для точного измерения низких температур. В таких термометрах сосуд j наполнен ртутью, которая через капилляр 4 может поступать в градуированную трубку 2. В нижней части трубки 6, соединенной с сосудом 5 узкой спиральной трубкой 3, находится летучая жидкость 7. Внутреннее пространство термометра заполнено только паром этой жидкости. Трубка 2 вакуумирована. В зависимости от температуры жидкости 7 давление ее пара меняется и ртуть в трубке 2 устанавливается на различных уровнях, по которым судят о температуре в сосуде 8. Остальные части термометра могут иметь более высокую температуру, что не оказывает влияния на показания термометра.

При заполнении термометр устанавливают в горизонтальном положении и вводят в него такое количество ртути, чтобы высота ее в сосуде 5 была выше капилляра 4, но не касалась бы спиральной трубки 3. Затем прибор тщательно откачивают через трубку 1 и охлаждают нижнюю часть трубки б, содержащей соответствующую жидкость. После этого прибор запаивают в точке и устанавливают вертикально. Жидкость вводят в трубку 6 через боковой отросток, который также запаивают (на рисунке не обозначен).

Термометр калибруют по давлению пара жидкости 7. Диапазон измерений температуры лежит в пределах от +20 до -210 "С и зависит от рода жидкости (табл. 5). Термометр быстро реагирует на изменения температуры, и его показания не зависят от глубины погружения трубки 6 в измеряемую среду. Чувствительность термометра составляет 0,01 "С при изменении давления на 1 торр (133,322 Па).

Термометры с органическими жидкостями имеют значительную инерционность из-за небольшой теплопроводности термометрических жидкостей (табл. 6) и повышенной вязкости яр" низких температурах (по сравнению с вязкостью ртути). Поэтому перед снятием показаний необходима выдержка в одну-две минуты и легкое постукивание по термометру пальцем или деревянной палочкой.