Термометр Бекмана

Термометр Бекмана — это высокоточный жидкостный термометр с узким диапазоном измерений, предназначенный для определения малых разностей температур (от сотых до десятых долей градуса). Он был разработан немецким физико-химиком Эрнстом Отто Бекманом в конце XIX века и широко применялся в калориметрии, криоскопии и эбуллиоскопии для изучения тепловых эффектов химических реакций и физико-химических свойств растворов.

Устройство и принцип действия

Термометр Бекмана представляет собой ртутный термометр с резервуаром (баллоном) и капилляром, но имеет принципиальную особенность — резервуар не является герметичным. В верхней части термометра расположен дополнительный резервуар (запасной баллон), соединённый с основным капилляром. Это позволяет изменять количество ртути в рабочей части термометра, тем самым настраивая его на измерение в заданном узком интервале температур (обычно 5–6 °C). Шкала термометра Бекмана имеет цену деления 0,01 °C, что обеспечивает высокую точность отсчёта.

Основные элементы

• Основной резервуар — нижняя часть термометра, содержащая ртуть и погружаемая в измеряемую среду.
• Капилляр — тонкая трубка с ртутным столбиком, по которому производится отсчёт показаний.
• Запасной резервуар — верхняя часть с ртутью, используемая для регулировки диапазона.
• Шкала — нанесена на капилляр или на отдельную пластину; обычно имеет длину около 5–6 °C с делениями 0,01 °C.

Принцип работы

Изменение температуры вызывает изменение объёма ртути в основном резервуаре, что приводит к перемещению столбика ртути в капилляре. Поскольку шкала охватывает лишь малый интервал, термометр способен регистрировать очень малые изменения температуры. Для настройки на нужный диапазон (например, 20–25 °C) ртуть из запасного резервуара частично переливают в основной, меняя начальную точку отсчёта.

История

Термометр был изобретён Эрнстом Отто Бекманом в 1887 году. Бекман, работавший в Лейпцигском университете, искал способ точного измерения малых изменений температуры в калориметрических экспериментах. Существовавшие в то время термометры имели широкий диапазон (обычно 0–100 °C) и не позволяли фиксировать изменения с точностью до 0,01 °C. Разработанный Бекманом прибор с регулируемым диапазоном решил эту проблему. Термометр быстро получил распространение в физико-химических лабораториях мира и оставался основным инструментом для точных температурных измерений вплоть до середины XX века, когда начали появляться электронные термометры и термисторы.

Применение

Термометр Бекмана использовался в нескольких областях экспериментальной физики и химии:

Калориметрия

В калориметрических опытах термометр Бекмана позволял измерять малые изменения температуры в калориметре, вызванные тепловыми эффектами химических реакций или физических процессов. Это давало возможность рассчитывать теплоёмкость, теплоту растворения, теплоту нейтрализации и другие термодинамические величины.

Криоскопия

В криоскопии термометр применялся для определения понижения температуры замерзания растворов по сравнению с чистым растворителем. По этому понижению рассчитывали молекулярную массу растворённого вещества. Точность термометра Бекмана (0,01 °C) позволяла проводить такие измерения с высокой достоверностью.

Эбуллиоскопия

Аналогично, в эбуллиоскопии термометр использовался для измерения повышения температуры кипения растворов, что также служило методом определения молекулярной массы.

Другие области

Термометр Бекмана применялся в биологии и медицине для изучения тепловых эффектов в живых системах, а также в метеорологии для точных измерений температуры воздуха в ограниченных диапазонах.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая точность — цена деления 0,01 °C, что позволяет регистрировать малые изменения температуры.
• Регулируемый диапазон — возможность настройки на любой узкий интервал в пределах от –20 до +150 °C (в зависимости от модели).
• Простота конструкции — не требует электрического питания, устойчив к внешним помехам.

Недостатки

• Узкий диапазон — каждый термометр Бекмана рассчитан на измерение только в пределах 5–6 °C, что требует предварительной настройки.
• Трудоёмкость настройки — процесс переливания ртути для изменения диапазона требует навыков и времени.
• Хрупкость — стеклянная конструкция, содержащая ртуть, легко ломается, что может привести к загрязнению помещения ртутью.
• Вытеснение электронными приборами — с развитием электронных термометров и термисторов, обеспечивающих аналогичную точность и более широкий диапазон, термометр Бекмана утратил практическое значение.

Современное состояние

К началу XXI века термометры Бекмана практически вышли из употребления в лабораторной практике из-за распространения цифровых термометров, термисторов и термопар, которые обеспечивают сопоставимую или более высокую точность, а также позволяют проводить непрерывные измерения и автоматическую запись данных. Однако в некоторых учебных лабораториях и музеях науки термометры Бекмана сохраняются как исторические экспонаты и используются для демонстрации принципов точных температурных измерений. В России и других странах бывшего СССР термометры Бекмана выпускались промышленно (например, ТЛ-2, ТЛ-3) и до сих пор встречаются в старых лабораторных комплектах.

Интересные факты

• Термометр Бекмана иногда называют «термометром с регулируемым нулём».
• Для настройки термометра на нужный диапазон ртуть из запасного резервуара переливают в основной, нагревая или охлаждая прибор, а затем резким встряхиванием разрывают столбик.
• В СССР термометры Бекмана использовались в школьных и вузовских лабораториях для выполнения практических работ по физической химии.

Источники

• Бекман Э.О. «Термометр для измерения малых разностей температур» // Zeitschrift für physikalische Chemie, 1887.
• Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
• Киреев В.А. «Краткий курс физической химии». — М.: Химия, 1978.
• ГОСТ 29224-91 «Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические условия».