Жидкостный термометр и его устройство¶

Жидкостный термометр — это прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости, заключённой в стеклянном резервуаре и капилляре. Термометрической жидкостью в таких приборах служит вещество с известным и стабильным коэффициентом объёмного расширения: ртуть, спирт, толуол, керосин, пентан или галлий. Жидкостные термометры относятся к классу механических (неэлектрических) термометров и широко применяются в быту, медицине, лабораторной практике и промышленности.

¶Принцип действия

Работа прибора опирается на физическое явление объёмного теплового расширения. При нагревании объём жидкости увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Жидкость заполняет резервуар и частично капилляр; изменение её объёма приводит к перемещению видимого столбика вдоль шкалы.

Ключевая характеристика термометрической жидкости — коэффициент объёмного расширения. Чем он выше и стабильнее в рабочем диапазоне, тем чувствительнее прибор. Важны также химическая инертность, отсутствие смачивания стекла и низкая температура затвердевания. Видимость столбика обеспечивается окрашиванием жидкости (спирт подкрашивают) либо её естественным цветом (ртуть, галлий).

¶Устройство

Типовой жидкостный термометр включает:

• Резервуар — тонкостенный стеклянный баллон, где сосредоточен основной объём жидкости.
• Капилляр — узкий канал постоянного сечения, по которому поднимается столбик.
• Шкала — нанесённые на стекло или корпус деления в градусах Цельсия (реже Фаренгейта).
• Корпус — защитная оправа; у медицинских термометров это стеклянная трубка, у промышленных — металлический кожух.
• Газовое пространство — над жидкостью в капилляре; у некоторых моделей заполнено инертным газом под давлением, что повышает температуру кипения жидкости.

¶Термометрические жидкости

Ртуть долгое время оставалась основной жидкостью благодаря широкому диапазону и линейности шкалы. Однако её пары токсичны, поэтому с конца XX века во многих странах ртутные термометры выводятся из обращения, а в быту заменяются спиртовыми или электронными аналогами.

¶Виды и применение

• Медицинские термометры — максимальные приборы с сужением капилляра: столбик фиксирует наибольшую температуру и не опускается сам. Диапазон 35–42 °C.
• Лабораторные — с ценой деления от 0,1 до 1 °C, часто с погружной или полной шкалой.
• Промышленные (технические) — прямые и угловые, в металлической оправе, для измерения в трубопроводах и резервуарах.
• Бытовые — комнатные, уличные, для ванн и почвы.

¶Погрешности и ограничения

Точность жидкостного термометра ограничена рядом факторов: тепловой инерцией (требуется время для прогрева резервуара), влиянием температуры выступающего столбика, капиллярными явлениями и старением стекла. Со временем точка нуля может смещаться из-за остаточной деформации резервуара. При измерении важна глубина погружения: различают приборы с погружением полным, частичным и на заданную глубину.

Диапазон ограничен температурой затвердевания и кипения жидкости. Ниже и выше этих границ прибор непригоден. Кроме того, стекло хрупко, а ртуть при повреждении представляет опасность для здоровья и окружающей среды.

¶История

Первый жидкостный термометр создал Фердинанд II Медичи около 1654 года, используя подкрашенный спирт. В 1714 году Даниель Габриель Фаренгейт применил ртуть и предложил собственную шкалу. Андрес Цельсий в 1742 году ввёл стоградусную шкалу, которая в перевёрнутом виде стала современной шкалой Цельсия. Ртутные приборы доминировали в метрологии вплоть до второй половины XX века.

¶Сравнение с другими термометрами

В отличие от электронных и инфракрасных приборов, жидкостные термометры не требуют источника питания, просты и дешевы, но уступают в скорости отклика и точности. Их показания не зависят от электромагнитных помех. Термометры сопротивления и термопары обеспечивают дистанционное измерение и автоматическую регистрацию, тогда как жидкостный прибор даёт только визуальный отсчёт.

¶Нормативное регулирование

Требования к жидкостным термометрам устанавливаются государственными стандартами: ГОСТ 28498 (лабораторные и технические), ГОСТ 9177 и другими. Приборы подлежат периодической поверке в метрологических службах. Для медицинских термометров действуют отдельные санитарные нормы.