Folyadékos hőmérők

Folyadékos hőmérők

Folyadékos hőmérők 7228 Link

A folyadékok \(\beta\) térfogati hőtágulási együtthatója 1-2 nagyságrenddel nagyobb, mint a szilárd anyagoké, ezért ha egy szilárd anyagú tartály és a benne lévő folyadék együtt felmelegszik, akkor a folyadék "nagyobbat tágul", vagyis a folyadék szintje feljebb kerül. Ez az effektus alkalmas hőmérő készítésére, feltéve ha a folyadék szintemelkedését meg tudjuk figyelni, például mert a tartály átlátszó (üveg). De mi legyen a folyadék?

A "legkézenfekvőbb" folyadék a víz lenne (hiszen olcsó, könnyen, bárhol hozzáférhető), de a víz mégsem jó, mert \(0\ \mathrm{{}^\circ C}\) és \(4\ \mathrm{{}^\circ C}\) között abnormális a hőtágulási viselkedése. Ráadásul a víz - közönséges nyomáson - csak viszonylag  kis hőmérséklettartományban van folyadék állapotban ( csak \(0\ \mathrm{{}^\circ C}\) és \(100\ \mathrm{{}^\circ C}\) között), ez is korlátozza a használatát, plusz még nedvesíti is az üveget, szóval "rátapad" a tartály falára, így nem lehet pontosan leolvasni.
 

 Alkoholos hőmérő 

Az alkohol (etil-alkohol) szintén olcsó, könnyen hozzáférhető, nagyjából egyenletesen tágul, ráadásul jó nagy is a térfogati hőtágulási együtthatója:

\[\beta_{\mathrm{alk}}=109\cdot 10^{-5}\ \mathrm{\frac{1}{{}^\circ C}}\]

ami majdnem kb. 100-szor nagyobb, mint a laborüveg \(\beta\)-ja, ezért igencsak alkalmas folyadékos hőmérőbe. Mivel közönséges nyomáson \(78\ \mathrm{{}^\circ C}\)-on forr, ezért csak ennél alacsonyabb hőmérsékletek mérésére használhatjuk. De ez nem baj, mivel a levegő hőmérséklete a világon sehol sem melegedett még \(60\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ig se, így időjárási hőmérőbe teljesen jó az alkohol, csak meg kell színezni, ugyanis az etanol színtelen folyadék, így könnyen, messzebbről is leolvasható hőmérőt kapunk:

Az alkoholos hőmérő hátrányai:

  • az alkohol \(78\ \mathrm{{}^\circ C}\)-os forráspontjához közel már nem használható
  • enyhén nedvesíti az üveget (összehúzódáskor marad egy kicsi az üvegcső falán), emiatt nem nagyon pontos (de ez a "milyen ruhát vegyek fel?" kérdés eldöntésekor belefér) 
     

 Higanyos hőmérő 

Mindkét fenti hátrányra megoldást jelent a higany, ami nem nedvesíti az üveget, és csak \(357\ \mathrm{{}^\circ C}\)-on forr, így kb. \(300\ \mathrm{{}^\circ C}\)-ig használható. (Az alkohol sem forr fel \(78\ \mathrm{{}^\circ C}\)-on, ha jóval nagyobb a nyomás, mint a normál légköri nyomás, de egy vékony üvegcsövet nem szerencsés gondolat nagy nyomásnak kitenni, mert szétpattan.) Aztán \(300\ \mathrm{{}^\circ C}\)-tól már elég erősen párolog a higany, és ha a hőmérő túlsó vége hidegebb helyen van, akkor azon a részen a higanygőz lecsapódhat az üvegcső belső falára; erre mondjuk, hogy a folyadék "átdesztillál". A higany 6-szor kisebb mértékben hőtágul, mint az alkohol, a térfogati hőtágulási együtthatója:

\[\beta_{\mathrm{Hg}}=18\cdot 10^{-5}\ \mathrm{\frac{1}{{}^\circ C}}\]

de a hőtágulása nagyon egyenletes, így könnyen skálázható:

Azonban a higanynak is vannak hátrányai:

  • mérgező
  • \(-39\ \mathrm{{}^\circ C}\)-on megfagy

Egy higanyos hőmérő esetében csak az üvegtartály törésekor áll fenn mérgezési veszély, és olyankor is leginkább a higany gőze juthat csak be a szervezetünkbe (az apró higanygolyók lezuhannak szinte súrlódásmentesen szétgurulnak és a legkisebb repedésekbe beesnek). A higanygőz okozta mérgezéstől való félelem általában eltúlzott, ugyanis szobahőmérsékleten a higany telített gőznyomása mindössze \(0,25\ \mathrm{Pa}\), ami a légnyomásnál \(400\ 000\)-szer kisebb, vagyis a higany alig-alig párolog, így egy eltörött lázmérőből kiömlött (kb. \(0,4\ \mathrm{gramm}\)-nyi) higany még akkor is nagyon kicsi koncentrációban lenne jelen a szoba levegőjében, ha a párolgása révén a higanygőz elérné a telített gőznyomást, de a légcsere miatt még ezt a roppant kis koncentrációt sem tudja elérni.

A higany megfagyása a hőmérős alkalmazásnál egyértelműen probléma, hiszen a Földön előfordulnak a fagyáspontjánál hidegebb hőmérsékletek. Ilyen helyzetekben a folyadékos hőmérőbe higany helyett egy nála alacsonyabb fagyáspontú folyadékot kell tölteni:

  • etil-alkoholt, ami csak \(-114\ \mathrm{{}^\circ C}\)-on fagy meg; ilyen hideg nincs is a természetben
  • alkohol, toluol és pentán keverékével akár $-200\ \mathrm{{}^\circ C}$-ra vihető a folyadék fagyáspont
  • a higanyban oldanak talliumot (8,5%-ot), amitől a fagyáspontja lecsökken $-61\ \mathrm{{}^\circ C}$-ra


 Higanyos lázmérők 

Manapság sok lázmérő (emberi testhőmérsékletet-mérő) már nem folyadék hőtágulásán alapul, hanem elektronikus, de még mindig gyakoriak a higanyos vagy ahhoz kísértetiesen hasonlító "higanymentes" folyadékkal működő lázmérők. 

Miért kell "lerázni" a lázmérőt használat előtt? Azért, hogy a folyadékszál visszamenjen a tartályba.  Miért nem elég függőleges helyzetbe állítani a hőmérőt, és megvárni hogy visszacsurogjon a skálánál lévő folyadék? Mert a folyadéktartály és a skálánál lévő, hosszú, egyenes (kapilláris) csőszakasz között van egy kis szűkület (az ábrán constriction), amit sokszor egy hajlat formában készítenek el:

Ez mire jó? Mi nem azt szeretnénk megtudni, hogy amikor a lázmérőt kivesszük a hóaljunkból, akkor éppen mennyit mér (hiszen akkor hamarosan már a szoba levegőjének hőmérsékletét mutatná), hanem mi a legnagyobb értéket szeretnénk megtudni, ami a mérés során előfordult. Tehát a lázmérő egy maximumot mérő műszer (maxima). Ezt biztosítja a szűkület: a hőmérséklet emelkedésekor a szűkületen keresztül ki tud préselődni a táguló folyadék, de amikor a hőmérséklet csökken, akkor az összehúzódó, visszahúzódó folyadék a szűkületnél elszakad, emiatt a skálánál lévő hosszű kapilláris csőszakaszban lévő folyadék ott marad ("megőrzi a maximum értéket"). Ezt kell a rázással visszajuttatni a tartályba. Ezt az effektust az okozza, hogy a higanyatomokra hatnak ún. molekuláris erők, amik csak nagyon rövid távolságban számottevőek, ezért lényegében csak a szomszédos atomok által kifejtett erők számítanak. Ezek a molekuláris erők olyanok, hogy mindig van egy egyensúlyi távolsága az atomoknak, amikor is a molekuláris erő nulla. De ha az atomok ennél közelebb kerülnek egymáshoz, akkor a molekuláris erő taszító lesz, ha pedig az atomok az egyensúlyi távolságnál messzebb kerülnek egymástól, akkor a molekuláris erő vonzó lesz. Egy olyan higanyatomra, ami a higany belsejében van, csak a körülötte lévő higanyatomok fejtenek ki vonzóerőt, míg egy olyan higanyatomra, aki a higany szélén, az üvegfalnél van, rá a vele érintkező higanyatomok is és a vele érintkező üvegatomok is. Egy higanyatom erősebben vonz egy higayatomot, mint egy üvegatom (emiatt van, hogy egy üveglapra kiömlő kevés higany egy kis golyóvá formálódik, ugyanis így kerülnek átlagosan a lehető legközelebb egymáshoz a higanyatomok; összehúzzák magukat a lehető legkisebb felületű alakzatra, ami a gömb). De a szűkületben lévő higanyatommal az történik, hogy őt nagyrészt üveg veszi körül, és csak egy kis felületén hatnak rá a "társai", a többi higanyatom. Emiatt aztán "sok lúd disznót győz", vagyis az (egyenként gyengébben vonzó) üvegatomok együttes ereje legyőzi a kevés szomszédos higany vonzását, így a lehűléstől visszahúzódó higany nem tudja "visszaszívni" a szűkületen túli higanyatomokat.

Ezért amikor a lázmérőt kivesszük a hőnaljunkból, akkor az addigi \(36\unicode{x2013}40\ \mathrm{{}^\circ C}\)-hoz képest egy alacsonyabb, \(\approx 25\ \mathrm{{}^\circ C}\) hőmérsékletre kerül (a szoba levegőjébe). Ettől a tartályban lévő higany elkezd összehúzódni, de a szűkületnél nem tudja magával visszahúzni azokat a higanyatomokat akik korábban, a meleg időszakban a hőtágulástól kipréselődtek a skálánál lévő csőszakaszba.
 

 Higanymentes ("galliumos") lázmérő 

Ezeknál a mérgező higanyt egy galinstan nevű, szobahőmérsékleten folyékony fémötvözet helyettesíti. A galinstan fémelegy gallium-indium-ón keveréket jelent, mely \(-19\ \mathrm{{}^\circ C}\) olvadáspontú, így beltéri használatra mindig alkalmas. Előnyei:

  • nem mérgező
  • pontosság
  • a működésükhöz nem kell áramforrásként galvánelem (ami lemerülhet)

Hátránya, hogy a galistan nedvesíti az üveget, emiatt az üvegcső belső felületét gallium-oxiddal kell bevonni, hogy "jobban csússzon" (ami drágítja az előállítását), de még így sem csúszik annyira, mint a higany az üvegen. Ezért ezeket a higanymentes lázmérőket jóval nehezebb lerázni, mint a higanyosokat. De ha tudjuk, hogy többet ésszel, mint erővel...