Водородный термометр

Водородный термометр — разновидность газового термометра, в которой в качестве наполнителя используется водород (газ, близкий к идеальному газу).

Изобретение

Считается, что изобретателем водородного термометра в России является Дмитрий Иванович Менделеев: в 1890-е годы по его инициативе были приобретены ртутные термометры Тонелло и Бодена, а также водородный термометр французской фирмы Голац (1894). В том же 1894 году в Главной палате мер и весов было основано термометрическое отделение, а в 1898 году были завершены установка и изучение водородного термометра на базе французского. Разработанный водородный термометр дал возможностью проводить измерение температуры на международном уровне. Стоградусная шкала водородного термометра с двумя реперными точками 0 и 100 °С при нормальном атмосферном давлении была утверждена в 1887 году Международным комитетом мер и весов, а в 1889 году одобрена на Первой Генеральной конференции.

Устройство

По сравнению с другими термометрами любой газовый термометр является громоздким и неудобным для использования. Он включает в себя термометрический объём (баллон) с водородом, устройством для заполнения и стабилизации объёма, а также ртутный манометр для измерения термометрического давления. Водородный манометр заполняется таким количеством газа, чтобы его давление при нулевой температуре составляло 1000 мм рт. ст. При измерениях температуры термометрический объём приводится в идеальный контакт с исследуемым телом и ждут установления равновесного состояния, когда давление водорода изменяется до определённого уровня.

Вычисление температуры

Формула, основанная на законе Гей-Люссака, позволяет вычислить по разности изменения давления газа при нулевой температуре и в момент измерения. Эта формула имеет вид $P(t)=P(0)*(1+\alpha t)$, где $P(0)$ — давление 1000 мм рт. ст. при нулевой температуре. В формуле присутствует коэффициент температурного изменения давления в изохорическом процессе $\alpha ={1 \over 273,16}$, если температура измеряется в градусах Цельсия. Отсюда температура в градусах, в которых водородный термометр изначально градуирован по реперным точкам плавления льда и кипения воды, определяется по формуле $t={1 \over \alpha }\left[{\frac {P(t)}{P(0)}}-1\right]$.

Также возможно вычисление температуры на базе начальной температуры водорода $T_{0}$, начального атмосферного давления водорода $p_{0}$ и его конечного давления $p$. Формула в таком случае имеет вид $T={T_{0}*p \over p_{0}}$. Конечное давление водорода определяется как $p=p_{0}+h$ — путём прибавления к начальному давлению $p_{0}$ разности уровня ртути в коленах манометра $h$.

Применение

Газовый водородный термометр считался наиболее точным для воспроизведения термодинамических температур (с погрешностью до тысячных долей градуса Цельсия). Водородный термометр используется редко для точных научных измерений температур (например, реперных точек), а чаще для градуировки образцовых вторичных термометров (ртутных). Ртутные термометры во многом переняли шкалообразующие свойства водородного термометра, хотя их точность не превышает 0,1 градуса, а у водородных термометров она намного выше.

Литература

• Вольфкович С. И. Дмитрий Иванович Менделеев: жизнь и труды. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1957. — 254 с.
• Грабовский Р. И. Курс физики: учебное пособие. — 3-е изд., переработанное. — М.: Высшая школа, 1970. — 616 с.
• Дивин А. Г., Пономарёв С. В. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. В трёх частях. — Тамбов: ФГБОУ ВПО ТГТУ, 2013. — Т. Часть 3. Средства измерения температуры, оптических и радиационных величин. — 116 с. — 100 экз. — ISBN 978-5-8265-1215-9.
• Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии: в 2-х томах / пер. с англ.. — М.: Мир, 1982. — Т. 1. — 652 с.