Плотность ртути — это не постоянная величина, а ключевая физическая характеристика, которая зависит в первую очередь от температуры. Именно на изменении плотности при нагреве и охлаждении был основан принцип работы самых первых термометров. В этой статье мы разберемся, от чего зависит плотность этого жидкого металла, как ее измеряют, и где это знание находит практическое применение.
Что такое плотность ртути
Плотность ртути — это физическая величина, характеризующая массу единицы объема вещества. Она зависит от температуры и давления.
Стандартные значения
Для жидкой ртути при нормальных условиях (температура около +20 °C и атмосферное давление 760 мм ртутного столба) значение составит ρ= 13,595 кг/м³.
Это значит, что один кубический метр ртути имеет массу 13 595 кг. Высокая плотность делает ее уникальным веществом среди металлов, и именно благодаря этому ртуть используют в измерительных приборах, медицинских термометрах и некоторых промышленных процессах.
От чего зависит плотность ртути
Плотность ртути зависит от нескольких факторов.
1. Температура
При повышении температуры объем жидкости увеличивается, следовательно, плотность уменьшается. Например, при температуре +20 °C плотность ртути составляет примерно 13,595 г/см³, тогда как при +100 °C она снижается примерно до 13,26 г/см³. Именно на этом принципе построена работа бытовых и промышленных ртутных термометров.
| Температура, °C | Плотность, г/см³ |
|---|---|
| -38,87 | 14,190 |
| -20 | 13,620 |
| 0 | 13,595 |
| 20 | 13,545 |
| 50 | 13,440 |
2. Давление
Под высоким давлением атомы металла сближаются сильнее, уменьшая межатомные расстояния, и, соответственно, увеличивая плотность материала. Однако этот эффект проявляется значительно слабее, чем влияние температуры.
Чтобы заметно изменить плотность ртути, требуется колоссальное давление, которое не встречается в быту. Поэтому в большинстве инженерных и бытовых расчетов этим фактором пренебрегают.
3. Примеси
Присутствие примесей также влияет на плотность ртути. Чистая металлическая ртуть обладает большей плотностью, чем растворенная или загрязненная примесями.
Как измеряется плотность ртути
Для измерения плотности ртути используют различные методы.
Пикнометр
Это самый точный метод для измерения плотности жидкостей.
Суть метода:
1. Берется специальный стеклянный сосуд точного объема, называемый пикнометром. Его объем тщательно калиброван и известен с высокой точностью.
2. Пикнометр взвешивается пустым.
3. Затем он заполняется ртутью до метки на горлышке, обеспечивая точный и воспроизводимый объем.
4. Пикнометр с ртутью взвешивается снова.
5. Масса ртути вычисляется как разница между двумя взвешиваниями.
6. Плотность рассчитывается по формуле: ρ = (m₂ — m₁) / V, где V — объем пикнометра.
Гидростатическое взвешивание
Для ртути не существует обычных стеклянных ареометров, как для воды или спирта. Вместо этого используется метод, основанный на законе Архимеда.
Суть метода:
1. Взвешивается твердое тело (обычно сделанное из стекла или нержавеющей стали) на воздухе. Его масса известна (m).
2. Затем это тело полностью погружается в ртуть и взвешивается снова. Со стороны ртути на него действует выталкивающая сила Архимеда, поэтому его «вес» уменьшается.
3. Сила Архимеда равна весу вытесненной телом ртути: Fₐ = ρ · g · V, где V — объем тела.
4. Зная разницу в весе и объем тела, можно вычислить плотность ртути.
На этом же принципе работают специализированные плотномеры (денсиметры), которые калибруются для работы с ртутью.
Вопросы и ответы
Собрали несколько часто задаваемых вопросов о плотности ртути.
Для чего важно знать плотность ртути?
Знание точной плотности ртути критически важно для:
- Точных приборов: ртутные барометры и манометры измеряют давление по высоте столба ртути. Чтобы расчеты были верны, нужно знать ее плотность с поправкой на температуру.
- Науки и калибровки: ртуть долгое время была эталоном для калибровки различных приборов.
- Техники безопасности: высокая плотность объясняет, почему ртуть так сложно убрать с поверхностей — она затекает в малейшие щели.
Почему ртуть собирается в шарики?
Это явление связано с поверхностным натяжением, которое, в свою очередь, сильно зависит от высокой плотности. Силы притяжения между атомами ртути настолько велики, что она стремится принять форму с минимальной площадью поверхности — форму шара.
Что будет, если смешать ртуть и воду?
Они не смешаются. Из-за огромной разницы в плотности ртуть сразу же осядет на дно, а вода останется сверху. Эти жидкости несмешиваемы.
Что тяжелее: ртуть или железо?
Ртуть тяжелее (плотнее) железа. Плотность железа составляет около 7 874 кг/м³, что почти в два раза меньше плотности ртути. Поэтому железный гвоздь будет плавать на поверхности ртути.
