Жидкостные барометры используют ртуть вместо воды по нескольким ключевым причинам, связанным с физическими и химическими свойствами этих двух жидкостей. Рассмотрим основные факторы, по которым ртуть предпочтительнее воды для использования в барометре.
1. Плотность жидкости
Один из главных факторов заключается в плотности жидкости. Плотность ртути значительно выше, чем плотность воды:
Плотность ртути = 13,6 г/см³.
Плотность воды = 1 г/см³.
Из-за этого ртуть создает столб гораздо меньшей высоты для того же давления. В жидкостном барометре, который измеряет атмосферное давление, столб ртути имеет высоту около 760 мм, в то время как для воды такая высота составила бы около 10 метров. Это было бы неудобно и трудоемко, поскольку создание и поддержание таких больших конструкций было бы крайне сложным и трудоемким процессом. К тому же, для измерений атмосферы столб жидкости должен быть достаточно устойчивым, и высокая плотность ртути решает эту задачу.
2. Низкое испарение
Ртуть имеет очень низкую летучесть и испаряется при температуре около 357°C (что гораздо выше нормальных температур в окружающей среде), в то время как вода имеет точку кипения при 100°C. Это означает, что при использовании воды в барометре возможны значительные потери жидкости из-за испарения, особенно при высоких температурах. Ртуть почти не испаряется в обычных условиях, что делает ее более стабильной и надежной для точных измерений атмосферного давления.
3. Низкая вязкость
Ртуть обладает низкой вязкостью, что позволяет ей быстро и легко двигаться внутри трубки барометра. Это важное свойство, поскольку оно минимизирует возможные колебания столба жидкости из-за малых изменений давления и температуры. Вода, хотя и имеет меньшую вязкость по сравнению с другими жидкостями, всё же более вязкая, чем ртуть, что делает её менее удобной для таких целей.
4. Низкая компрессируемость
Ртуть практически несжимаема, то есть её объем не изменяется при изменении давления. Это важно для точности измерений. Вода тоже несжимаема, но в отличие от ртути, её свойства могут изменяться при различных температурах и давлениях. В барометре, где важна стабильность жидкости и её прямое соответствие атмосферному давлению, ртуть становится предпочтительным выбором.
5. Химическая стабильность
Ртуть инертна в обычных условиях и не вступает в реакции с большинством веществ, что делает её химически стабильной. Вода же, несмотря на свою кажущуюся нейтральность, может вступать в химические реакции с некоторыми материалами и загрязняться, что может повлиять на точность измерений. Например, она может растворять углекислый газ из воздуха, что со временем приведет к изменению уровня воды в барометре.
6. Поверхностное натяжение
Ртуть имеет очень высокое поверхностное натяжение, что делает её менее подверженной колебаниям и скачкам, особенно при изменениях давления. Это свойство также способствует стабильности столба ртути. Вода, напротив, имеет менее выраженное поверхностное натяжение, что может привести к дополнительным колебаниям столба при изменении давления, особенно если барометр имеет небольшой диаметр трубки.
7. Конструкция и удобство использования
Из-за всех этих физических свойств ртуть требует меньше пространства для того, чтобы измерять атмосферное давление, а также позволяет избежать необходимости в слишком высоких колоннах жидкости, как это было бы с водой. Ртуть более компактна и эффективна для измерений, что делает её удобной для использования в барометре.
8. Температурные колебания
Хотя ртуть и вода подвержены расширению или сжатию при изменении температуры, ртуть делает это в меньшей степени благодаря своей плотности и специфическим термическим свойствам. При использовании воды необходимо учитывать значительные изменения в уровне жидкости из-за тепловых изменений, что делает измерения менее точными и требующими дополнительных корректировок.
Заключение
Использование ртути в жидкостных барометрах обусловлено рядом её уникальных физических свойств, таких как высокая плотность, низкое испарение, низкая вязкость, химическая стабильность и прочие. Эти свойства позволяют ртути быть более удобной, точной и практичной жидкостью для измерения атмосферного давления по сравнению с водой.
