Илья Леенсон - Удивительная химия

Внимательно посмотрите через лупу на перетяжку и одновременно очень осторожно нагревайте пальцами свободной руки баллончик с ртутью — но ни в коем случае не горячей водой или горячим предметом! Перед вами предстанет удивительное зрелище: в отличие от других, не медицинских, термометров, ртуть поступает в очень тонкий капилляр из резервуара не равномерно, а скачками, периодически «выстреливая» в него через перетяжку мельчайшими капельками. Заставляет ее это делать повышение давления в резервуаре при подъеме температуры. В отсутствие давления ртуть сама через перетяжку пройти не может. Поэтому когда термометр вынимают из-под мышки, резервуар начинает охлаждаться, столбик ртути в месте перетяжки разрывается, и часть ее остается в капилляре — ровно столько, сколько ее там было во время измерения температуры. Резко встряхивая термометр, мы сообщаем столбику ртути ускорение, в десятки раз превышающее нормальное ускорение силы тяжести. Развиваемое при этом давление «загоняет» ртуть через перетяжку обратно в резервуар. Так что наш маленький медицинский термометр — настоящее чудо техники! Кстати «знатоки» из телевизионной передачи «Что? Где? Когда?» не смогли ответить на вопрос, почему показание медицинского термометра не изменяется после измерения температуры.

Жители средней полосы России и тем более ее южных областей не всегда знают, что ртутный термометр может отказать в трескучие зимние морозы, которые случаются в северо-восточной части нашей страны. Получается так потому, что при температуре ниже —38,9 °C ртуть замерзает. Это явление впервые наблюдал в Иркутске при сильном морозе в 1736 году французский астроном и географ Жозеф Никола Делиль (1688–1768). При основании Российской академии наук в 1725 году Делиль был приглашен в Петербург на место директора астрономической обсерватории и прожил в России до 1747 года. В Сибирь он ездил с научной целью — для наблюдения за прохождением Меркурия перед диском Солнца и для определения географического положения некоторых населенных пунктов. Искусственно же заморозить ртуть с помощью охлаждающей смеси (из льда и концентрированной азотной кислоты) удалось лишь в 1759 году другому петербургскому академику Иосифу Адаму Брауну (1712–1768); его пригласили в Российскую академию в 1746 году. Браун обнаружил, что твердую ртуть можно ковать, как обычные металлы; он написал также много статей по физике и метеорологии.

Здесь уместно сказать, какие же морозы бывают на Земле. Много лет самой низкой температурой у земной поверхности считалась температура, которую наблюдали в августе 1960 года в районе советской антарктической станции «Восток», расположенной на высоте.3488 м над уровнем моря (78°28′ южной широты, 106°48′ восточной долготы), — 88,3 °C. Этот рекорд был побит в разгар зимы 21 июля 1983 года на той же станции «Восток»: -89,2 °C.

В Северном же полушарии «полюсом холода» считается район Оймякона (город в верховьях реки Индигирки в Якутии). В феврале 1933 года в Оймяконе температура воздуха понизилась до —67,7 °C, а температура снега составила -69,6 °C. Очень сильные холода бывают также в Верхоянске — городе на реке Яне, к северо-западу от Оймякона. В феврале 1892 года там была зафиксирована температура —69 °C. В Оймяконе в тот год измерения не проводились, однако обычно в самые холодные ночи там на два градуса холоднее, чем в Верхоянске. Поэтому считается, что когда в Верхоянске было -69 °C, в Оймяконе должно было быть -71 °C! В этих местах фиксируется и самая большая в мире годовая амплитуда температур, которая даже вошла в Книгу рекордов Гиннеса: 106,7 °C (от —70 до +36,7 °C), в районе Верхоянска.

Ниже 50 градусов в России бывает в Якутии, Красноярском крае, Томской и Магаданской областях. Но не только Россия славится холодами, при которых замерзает ртуть в термометрах. В феврале 1947 года в Канаде (станция «Снэг») была зафиксирована температура —62,8 °C. В январе 1971 года в горах Эндикотт (Аляска) было —62,1 °C. Ниже — 50 °C температура бывает в США — в штатах Монтана, Колорадо, Айдахо, Сев. Дакота, Вайоминг. В Швеции и Норвегии также может быть ниже -50 °C.

Если надо измерять такие низкие температуры, вместо ртути можно использовать некоторые ее сплавы. Например, сплав ртути с 8,5 % редкого металла таллия не замерзает до -60 °C; этот сплав предложил академик Николай Семенович Курнаков (1860–1941). Для измерения низких температур широко используют также органические соединения — петролейный эфир, керосин, толуол, спирт. Такими жидкостями заменяют ртуть в бытовых термометрах, не требующих высокой точности. Термометром, заполненным спиртом, можно измерять температуры от —100 до +75 °C. При более низкой температуре спирт становится вязким, что затрудняет измерения.

При измерении высоких температур появляются другие проблемы. При температурах более +200 °C ртуть начинает интенсивно испаряться (кипит она при +357 °C) и конденсироваться в верхней части капилляра. Однако есть ртутные термометры, позволяющие измерять температуру до +600 °C. В них над ртутью под большим давлением (порядка 30 атм) находится инертный газ, не дающий ртути закипеть даже при очень высокой температуре.

Разновидностей лабораторных термометров очень много. Некоторые из них предназначены не столько для измерения температуры, сколько для ее поддержания в заданных пределах в том или ином приборе. Так, уже упоминавшийся электроконтактный термометр (рис. 2.16) автоматически включает или выключает какой-либо прибор при достижении определенной температуры. Внутри капилляра этого термометра с помощью магнитной муфты перемещается тоненькая, диаметром 0,1 мм, вольфрамовая проволочка. Нижний конец ее устанавливают на температуру, которую нужно поддерживать постоянной, вращая магнит в ту или иную сторону. В нижнюю часть капилляра впаян второй (неподвижный) платиновый контакт, который всегда погружен в ртуть. Термометр соединяют с реле, которое управляет, например, нагревателем термостата. Как только поднимающийся ртутный столбик коснется вольфрамовой проволочки, электрическая цепь замкнется и реле выключит нагреватель. Когда жидкость в термостате чуть охладится, ртуть в капилляре опустится, разрывая контакт, и реле вновь включит нагреватель.

Иногда, например, на автоматической метеорологической станции, куда люди приходят редко, устанавливают максимально-минимальный термометр. Его особенность в том, что он может показывать самую высокую и самую низкую температуру за тот промежуток времени, когда его не трогали (рис. 2.17). Работает он так.

В нижней части U-образного капилляра находится столбик ртути (поскольку ртути в приборе мало, изменением ее объема при изменении температуры можно пренебречь). А рабочим телом в термометре, которое и реагирует на изменения температуры, служит бесцветная органическая жидкость, основной объем которой находится в широкой пробирке. С обеих сторон в капилляр помещены миниатюрные ползунки из синего стекла.

При повышении температуры расширяющаяся жидкость давит на ртутный столбик и перемещает его так, что правый мениск поднимается, толкая при этом правый ползунок вверх, а левый — опускается (обратите внимание на перевернутую шкалу слева). При понижении температуры ртуть перемещается в обратном направлении, толкая вверх левый ползунок, тогда как правый остается на месте. Таким образом, оба ползунка могут двигаться только вверх и показывать самую высокую и самую низкую температуру, которая отмечалась прибором (в данном случае +28 и +14 °C — такие температуры были в течение года в квартире, в которой висел этот термометр). Встряхивая термометр, можно установить оба ползунка в позицию, соответствующую показанию термометра в данный момент (на рисунке — около +24 °C), при этом ползунки упрутся в ртутные столбики.

Заканчивая небольшую экскурсию в мир стеклянных термометров, трудно удержаться, чтобы не продемонстрировать среди них великана и карлика (рис. 2.18). У маленького термометра Аншютца — он назван по имени немецкого химика Рихарда Аншютца (1852–1937) — вверху припаян стеклянный шарик, за который его легко подвесить на ниточке в нужной части аппаратуры. Огромным кажется рядом с ним термометр, изобретенный немецким химиком Эрнстом Отто Бекманом (1853–1923). Это так называемый метастатический термометр переменного наполнения. За этими мудреными словами скрывается вот что. Термометр предназначен для определения не самой температуры, а лишь ее изменения в небольшом интервале — зато с очень высокой точностью. Это требуется, когда анализируют вещество по повышению температуры кипения или по понижению температуры плавления его раствора. В термометре Бекмана две шкалы: большая основная, длиной более полуметра, соответствует изменению температуры всего на 5 °C, что позволяет разместить на ней 600 делений через 0,01 °C. (С помощью увеличительного стекла можно повысить точность отсчета до 0,001 °C!) Нужный диапазон измерений — в любом интервале от —20 до +150 °C — устанавливают, отливая часть ртути из большого резервуара внизу в петлеобразный запасной резервуар вверху, либо наоборот. Делается такая операция путем переворачивания термометра и легкого его встряхивания.