Γιατί χρησιμοποιείται ο υδράργυρος στα θερμόμετρα;

Ο κύριος λόγος που χρησιμοποιείται ο υδράργυρος στα θερμόμετρα είναι επειδή έχει μεγαλύτερο συντελεστή διαστολής από το νερό. Αυτό σημαίνει ότι οι αλλαγές στον όγκο του με τη θερμοκρασία είναι πιο αισθητές. Επιπλέον, ο υδράργυρος έχει σημείο βρασμού 356,7 βαθμών Κελσίου, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από το σημείο βρασμού του αλκοόλ στους 78,37 βαθμούς Κελσίου. Τέλος, ο υδράργυρος δεν είναι τοξικός όπως το αλκοόλ.

Κατ' αρχήν, οποιαδήποτε ουσία της οποίας οι ιδιότητες αλλάζουν ορατά με τη θερμοκρασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Θα μπορούσαμε να είχαμε χρησιμοποιήσει ένα υλικό που αλλάζει χρώμα όταν υποβάλλεται σε θερμότητα. Θα μπορούσε κανείς να διακρίνει ότι η θερμοκρασία είναι υψηλή όταν το υλικό εκπέμπει μπλε αποχρώσεις και ότι η θερμοκρασία είναι χαμηλή όταν ακτινοβολεί αποχρώσεις του κόκκινου.

Ομοίως, το νερό σε ένα στενό σωλήνα ανεβαίνει ή πέφτει όταν η θερμοκρασία του αυξάνεται ή πέφτει. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας κάθε σφραγισμένου θερμομέτρου που περιέχει υγρό. Ωστόσο, εάν κάτι τόσο άφθονο και φθηνό όσο το νερό λειτουργεί τόσο καλά, γιατί επιμένουμε να το σνομπάρουμε για κάτι τόσο σπάνιο και ακριβό όπως ο υδράργυρος;

Photo Credit :Flicker

Ιστορικό

Η ανθρωπότητα έμαθε για τη θερμοδυναμική θερμοκρασία αιώνες αφότου εφευρέθηκε το πρώτο θερμόμετρο. Επομένως, αρχικά, τα θερμόμετρα όριζαν θερμοκρασίες. Τα πρώτα θερμόμετρα, ωστόσο, δεν ήταν θερμό ή μετρητές θερμότητας, αλλά θερμο-σκόπια , συσκευές που απλώς σηματοδοτούσαν εάν η θερμοκρασία ήταν υψηλή ή χαμηλή. Αυτές οι συσκευές δεν είχαν βαθμονομηθεί σε τυπική κλίμακα. θα έκαναν απλώς χοντροκομμένες ή αόριστες εκτιμήσεις.

Η εφεύρεση του πρώτου θερμομέτρου πιστώνεται στον Ήρωα της Αλεξάνδρειας, έναν περίεργο μηχανικό που θεωρείται ο μεγαλύτερος πειραματιστής της αρχαιότητας. Η συσκευή του αποτελούνταν από έναν σωλήνα γεμάτο με αέρα του οποίου το άκρο ήταν βυθισμένο σε ένα μικροσκοπικό μπολ με νερό. Όταν το θερμοσκόπιο άγγιζε μια ζεστή ή κρύα επιφάνεια, ο αέρας διαστέλλεται ή συστέλλεται, προκαλώντας διακυμάνσεις στη διεπαφή αέρα-νερού.

Πίστωση φωτογραφίας:Wikimedia Commons

Ακόμη και η εφεύρεση του Galileo λειτούργησε με την ίδια αρχή. Ωστόσο, όχι μόνο αυτές οι εξελίξεις στερήθηκαν οποιασδήποτε κλίμακας, αλλά ήταν επίσης ευαίσθητες στην πίεση του αέρα. Η παρόρμηση να αναπτυχθεί μια συσκευή που να ανταποκρίνεται αποκλειστικά στη θερμότητα οδήγησε τον Joseph Delmedigo, μαθητή του Galileo, να εφεύρει το πρώτο σφραγισμένο θερμόμετρο υγρού σε γυαλί. Αυτό ήταν το πρώτο θερμόμετρο γιατί ήταν σημασμένο με ζυγαριά. Ωστόσο, το υγρό που σφράγισε δεν ήταν νερό, αλλά αλκοόλ.

Συντελεστής επέκτασης

Τα υλικά, όταν βρίσκονται υπό σταθερή πίεση, διαστέλλονται όταν υποβάλλονται σε θερμότητα, επειδή η θερμότητα ανυψώνει την κινητική ενέργεια των ατόμων τους, αναγκάζοντάς τα να κινούνται βίαια και επομένως να διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Η αύξηση του όγκου είναι εμφανής στα στερεά, όπως οι μεταλλικές σιδηροδρομικές γραμμές, τα ελαστικά ελαστικά και τα υγρά όπως το νερό, το αλκοόλ, ο υδράργυρος και το αλογόνο. Ωστόσο, η ποσότητα διαστολής ανά βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας είναι διαφορετική για κάθε υλικό. Αυτή η υλική σταθερά ονομάζεται συντελεστής διαστολής.

Η υπερβολική ζέστη προκαλεί συχνά φούσκωμα των ελαστικών τα καλοκαίρια.

Το αλκοόλ ευνοείται έναντι του νερού για τον απλό λόγο ότι έχει υψηλότερο συντελεστή διαστολής. Ακόμη και μια μικρή αλλαγή στη θερμοκρασία προκαλεί μια δραστική αλλαγή στον όγκο του κατά μήκος του σωλήνα. Ωστόσο, το αλκοόλ είναι έτσι ευαίσθητο ότι αυτές οι αλλαγές προκαλούν το αλκοόλ στο σωλήνα να συμπεριφέρεται σχεδόν ταραχώδη. Τα επίπεδα κυμαίνονται συνεχώς με έστω και μικρές αλλαγές στη θερμοκρασία. Αυτό το ιδιότροπο είναι ανησυχητικό, καθώς η ένδειξη θα άλλαζε αμέσως όταν, ας πούμε, αφαιρεθεί το θερμόμετρο από μια κατσαρόλα με βραστό νερό της οποίας η θερμοκρασία θέλαμε να μετρήσουμε. Στη συνέχεια θα αντανακλά αμέσως τη θερμοκρασία του νέου του περιβάλλοντος.

Για να αποφευχθεί αυτή η αναξιοπιστία, ο Ολλανδός εφευρέτης Danie Fahrenheit αντικατέστησε το αλκοόλ με υδράργυρο. Ο υδράργυρος έχει μεγαλύτερο συντελεστή διαστολής από το νερό, πράγμα που σημαίνει ότι οι αλλαγές στον όγκο του με τη θερμοκρασία είναι πιο αισθητές. Ωστόσο, η αξία του είναι σχεδόν έξι φορές μικρότερη από αυτή του αλκοόλ. Για προοπτική, η αύξηση ή η πτώση του όγκου του αλκοόλ ανά βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας θα ήταν έξι φορές μεγαλύτερη από τον όγκο του υδραργύρου.

Αυτό σημαίνει ότι ο υδράργυρος σε ένα σφραγισμένο σωλήνα θα ανέβαινε με πολύ πιο αργό ρυθμό από το αλκοόλ, αλλά σημαίνει επίσης ότι ο υδράργυρος θα έπεφτε εξίσου αργά όταν το θερμόμετρο αφαιρεθεί από μια κατσαρόλα γεμάτη με βραστό νερό. Η ένδειξη θα ήταν ουσιαστικά αδιατάρακτη, καθιστώντας το θερμόμετρο εξαιρετικά αξιόπιστο.

Photo Credit :Flicker

Τα θερμόμετρα πριν από αυτή την εφεύρεση ήταν μοναδικά. οι αναγνώσεις τους δεν αντιστοιχούσαν σε καμία τυποποιημένη κλίμακα. Ωστόσο, ο Fahrenheit πρότεινε μια κλίμακα που υιοθετήθηκε από κάθε κατασκευαστή υδραργύρου και τελικά, κάθε τύπο θερμομέτρου. Αυτή η μετάβαση δεν ήταν ακριβώς επαχθής, αφού σχεδόν κάθε θερμόμετρο υδραργύρου κατασκευάστηκε από τον ίδιο τον Φαρενάιτ. Η κλίμακα, η οποία τροποποιήθηκε ελαφρώς σε μεταγενέστερη ημερομηνία, φέρει τώρα το όνομά του.

Περιπτώσεις κατά τις οποίες το αλκοόλ είναι καλύτερο

Η υπερευαισθησία του αλκοόλ μπορεί να αντισταθμιστεί από τις αρετές του. Σε αντίθεση με τον υδράργυρο, το αλκοόλ είναι πολύ φθηνότερο και όχι τόσο γελοία σπάνιο. Επίσης, δεν είναι τοξικό. Ένα εργαστήριο μπορεί να χρειαστεί να σφραγιστεί για ώρες εάν σπάσει ένα θερμόμετρο υδραργύρου, δεδομένου ότι η εισπνοή υδραργύρου μπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήματα υγείας. Από την άλλη πλευρά, το αλκοόλ δεν αποτελεί τέτοια απειλή.

Επιπλέον, το σημείο πήξης του αλκοόλ είναι εκπληκτικά -115 ᵒC σε σύγκριση με τους -40ᵒC του υδραργύρου. Αυτό σημαίνει ότι τα θερμόμετρα υδραργύρου δεν μπορούν να μετρήσουν θερμοκρασίες κάτω των -40°C, μια θερμοκρασία όχι και τόσο σπάνια στα επιστημονικά εργαστήρια ή σε μια βιομηχανία κατασκευής τεχνολογίας υπεραγωγών.

Ένα εργαστήριο στην Ανταρκτική.

Ωστόσο, σε αντίθεση με το αλκοόλ, ο υδράργυρος δεν είναι άχρωμος, μια ιδιότητα που αναγκάζει τους κατασκευαστές να προσθέτουν τεχνητές βαφές στο αλκοόλ για να το κάνουν καθαρά ορατό. Επίσης, ενώ το αλκοόλ μπορεί να μετρήσει σοκαριστικά χαμηλές θερμοκρασίες, δεν είναι σε θέση να μετρήσει θερμοκρασίες μεγαλύτερες από μόλις 78,37ⵒC, το σημείο βρασμού του αλκοόλ. Συγκρίνετε αυτό το πενιχρό σημείο βρασμού με το απίστευτο σημείο βρασμού του υδραργύρου στους 356,7 ᵒC!

Αν και δεν μπορεί να γίνει τίποτα για τη σπανιότητα, την ακριβή και τοξικότητα του υδραργύρου, μπορεί κανείς να ξεπεράσει τους θερμικούς περιορισμούς του. Για να αυξηθεί περαιτέρω το σημείο βρασμού του, ο υδράργυρος συχνά σφραγίζεται με ένα αδρανές αέριο, όπως το άζωτο. Το αδρανές αέριο αυξάνει την πίεση στον υγρό υδράργυρο, αυξάνοντας έτσι ακόμη περισσότερο το σημείο βρασμού του.

Κάποιος μπορεί επίσης να επεκτείνει το σημείο πήξης του κραματίζοντάς το με θάλλιο. Αυτά τα νέα θερμόμετρα υδραργύρου-θαλλίου μπορούν πλέον να μετρούν θερμοκρασίες έως και -62ⵒC. Ωστόσο, παρά τα μικρά τους ελαττώματα, τα θερμόμετρα υδραργύρου θεωρούνται ένα από τα πιο ακριβή θερμόμετρα που υπάρχουν.