Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей и твёрдых тел[1], принцип работы которого основан на законе Архимеда[2].
История
правитьВ одном письме Синезий просит Гипатию сконструировать ему «гидроскоп» для определения плотности или удельного веса жидкостей[3][4][5][6]. На основании этого письма, было заявлено, что Гипатия сама изобрела ареометр[4][7]. Мельчайшие детали, в которых Синезий описывает инструмент, однако, могут быть интерпретированы как описание уже известного Синезию, но неизвестного Гипатии устройства[8][9], которое она могла бы воспроизвести по описанию. Гидрометры были основаны на принципах Архимеда (III в. до н. э.), возможно, были изобретены им же и были описаны во II веке нашей эры в стихотворении римского учёного Ремния[10][11][12].
Конструкция и принцип действия и использования
правитьОбычно представляет собой поплавок из стекла, утяжеляемый дробью или ртутью для достижения необходимой массы. В верхней, узкой части находится шкала, которая проградуирована в значениях плотности раствора или концентрации растворенного вещества. Плотность раствора равняется отношению массы ареометра к объёму, на который он погружается в жидкость. Соответственно, различают ареометры постоянного объёма и ареометры постоянной массы[1].
- Для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нём. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска. У ареометров постоянной массы пределы измерений обычно довольно узкие, и на практике пользуются наборами поплавков.
- Для измерения ареометром постоянного объёма изменяют его массу, достигая его погружения до определённой метки. Плотность определяется по массе груза (например, гирек) и объёму вытесненной жидкости.
Шкалы
править
Для практического применения ареометр градуируют в концентрации растворенного вещества, например:
- Спиртомер — в процентах алкоголя для измерения крепости напитка;
- Лактометр — в процентах жира для определения качества молока;
- Солемер — для измерения солености раствора;
- Сахаромер — при определении концентрации растворенного сахара;
Так как плотность жидкостей сильно зависит от температуры, измерения концентрации должны проводиться при строго определенной температуре, для чего ареометр иногда снабжают термометром.
Различают следующие виды ареометров:
- ареометр общего назначения АОН-1, АОН-2, АОН-3, АОН-4, АОН-5;
- ареометр для молока АМ, АМТ;
- ареометр для нефтепродуктов АН, АНТ-1, АНТ-2;
- ареометр для урины АУ;
- ареометр для спирта АСП-1, АСП-2, АСП-3, АСП-Т;
- ареометр для электролита АЭ-1, АЭ-2, АЭ-3;
- ареометр для грунта АГ;
- ареометр для сахара АС-2, АС-3, АСТ-1, АСТ-2;
- ареометр для кислот АК-1, АК-2;
- ареометр-гидрометр с термометром АЭГ.
Шкала Боме
правитьФранцузский химик Антуа́н Боме́ в 1768 году разработал современную конструкцию ареометра и шкалу плотности жидкостей в градусах Боме, обозначаемых как degrees Baumé, B°, Bé° и просто Baumé, Бомэ, Боме, которые изначально были численно равны концентрации раствора поваренной соли (хлорида натрия) в процентах по массе при 16 °C. Позднее шкала уточнялась и исправлялась. Шкала Боме используется на практике по сей день, но в России отменена в 1930-е гг.
Между плотностью и количеством градусов Боме существует несложная математическая зависимость, но в разных источниках приводятся разные численные коэффициенты:
, где
- знак + используется для жидкостей, менее плотных, чем вода, а знак − для жидкостей, более плотных, чем вода;
- , г/см3 — плотность;
- , — коэффициенты, равные:
| Уд. вес при 15 °C, г/см3 | Градусы Боме | Уд. вес при 15 °C, г/см3 | Градусы Боме | Уд. вес при 15 °C, г/см3 | Градусы Боме | Уд. вес при 15 °C, г/см3 | Градусы Боме | Уд. вес при 15 °C, г/см3 | Градусы Боме |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,000
1,005 1,010 |
0,0
0,7 1,4 |
1,171
1,175 1,180 |
21,0
21,4 22,0 |
1,355
1,360 1,365 |
37,8
38,2 38,6 |
1,535
1,540 1,545 |
50,3
50,6 50,9 |
1,725
1,730 1,735 |
60,6
60,9 61,1 |
| 1,015
1,020 1,025 |
2,1
2,7 3,4 |
1,185
1,190 1,195 |
22,5
23,0 23,5 |
1,370
1,375 1,380 |
39,0
39,4 39,8 |
1,550
1,555 1,560 |
51,2
51,5 51,8 |
1,740
1,745 1,750 |
61,4
61,6 61,8 |
| 1,030
1,035 1,040 |
4,1
4,7 5,4 |
1,200
1,205 1,210 |
24,0
24,5 25,0 |
1,383
1,385 1,390 |
40,0
40,1 40,5 |
1,565
1,570 1,575 |
52,1
52,4 52,7 |
1,755
1,760 1,765 |
62,1
62,3 62,5 |
| 1,045
1,050 1,055 |
6,0
6,7 7,4 |
1,215
1,220 1,225 |
25,5
26,0 26,4 |
1,395
1,400 1,405 |
40,8
41,2 41,6 |
1,580
1,585 1,590 |
53,0
53,3 53,6 |
1,770
1,775 1,780 |
62,8
63,0 63,2 |
| 1,060
1,065 1,070 |
8,0
8,7 9,4 |
1,230
1,235 1,240 |
26,9
27,4 27,9 |
1,410
1,415 1,420 |
42,0
42,3 42,7 |
1,595
1,600 1,605 |
53,9
54,1 54,4 |
1,785
1,790 1,795 |
62,5
63,7 64,0 |
| 1,075
1,080 1,085 |
10,0
10,6 11,2 |
1,245
1,250 1,255 |
28,4
28,8 29,3 |
1,425
1,430 1,435 |
43,1
43,4 43,8 |
1,610
1,615 1,620 |
54,7
55,0 55,2 |
1,800
1,805 1,810 |
64,2
64,4 64,6 |
| 1,090
1,095 1,100 |
11,9
12,4 13,0 |
1,260
1,265 1,270 |
29,7
30,2 30,6 |
1,440
1,445 1,450 |
44,1
44,4 44,8 |
1,625
1,630 1,635 |
55,5
55,8 56,0 |
1,815
1,820 1,822 |
64,8
65,0 65,1 |
| 1,105
1,110 1,115 |
13,6
14,2 14,9 |
1,275
1,280 1,285 |
31,1
31,5 32,0 |
1,455
1,460 1,465 |
45,1
45,4 45,8 |
1,640
1,645 1,650 |
56,3
56,6 56,9 |
1,824
1,826 1,828 |
65,2
65,3 65,4 |
| 1,120
1,125 1,130 |
15,4
16,0 16,5 |
1,290
1,295 1,300 |
32,4
32,8 33,3 |
1,470
1,475 1,480 |
46,1
46,4 46,8 |
1,655
1,660 1,665 |
57,1
57,4 57,7 |
1,831
1,833 1,835 |
65,5
65,6 65,7 |
| 1,135
1,140 1,143 |
17,1
17,7 18,0 |
1,305
1,310 1,315 |
33,7
34,2 34,6 |
1,485
1,490 1,495 |
47,1
47,4 47,8 |
1,670
1,675 1,680 |
57,9
58,2 58,4 |
1,838
1,840 1,841 |
65,8
65,9 66,0 |
| 1,145
1,150 1,152 |
18,3
18,8 19,0 |
1,320
1,325 1,330 |
35,0
35,4 35,8 |
1,500
1,505 1,508 |
48,1
48,4 48,5 |
1,685
1,690 1,695 |
58,7
58,9 59,2 |
||
| 1,155
1,160 1,163 |
19,3
19,8 20,0 |
1,333
1,335 1,340 |
36,0
36,2 36,6 |
1,510
1,515 1,520 |
48,7
49,0 49,4 |
1,700
1,705 1,710 |
59,5
59,7 60,0 |
||
| 1,165
1,170 |
20,3
20,9 |
1,345
1,350 |
37,0
37,4 |
1,525
1,530 |
49,7
50,0 |
1,715
1,720 |
60,2
60,4 |
Применение в геотехнике
правитьАреометр определяет удельный вес (или плотность) суспензии, что позволяет рассчитать процентное содержание частиц определенного эквивалентного диаметра частиц[17].
Ареометр нашел применение в Ареометрическом методе (англ. Hydrometer Method[18]) для определения гран. состава грунта для нахождения содержания в грунте частиц диаметром менее 0,1 мм. Ареометрический метод основан на последовательном определении плотности суспензии грунта через определенные промежутки времени с помощью ареометра. По результатам определений рассчитывают диаметр и количество определяемых частиц по формуле или с помощью номограммы. Содержание фракций крупнее 0,1 мм определяют ситовым методом. Ареометр должен быть откалиброван для определения его истинной глубины с точки зрения показаний ареометра.
В основе этого теста лежит Закон Стокса для падающих сфер в вязкой жидкости, в котором конечная скорость падения зависит от диаметра зерен и плотности зерен во взвешенном состоянии и жидкости. Таким образом, диаметр зерна можно рассчитать, зная расстояние и время падения. В случае почвы предполагается, что частицы почвы имеют сферическую форму и имеют одинаковую удельную массу. Поэтому можно сказать, что в водной почвенной взвеси более крупные частицы оседают быстрее, чем более мелкие.
Примечания
править- ↑ 1 2 Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик и др. — М.: Сов. энциклопедия, 1983. — С. 32—33. — 982 с. — 100 000 экз.
- ↑ ЭСБЕ, 1890—1907.
- ↑ Deakin, 1992, p. 22.
- ↑ 1 2 Theodore, 2016, p. 183.
- ↑ Deakin, 2007, pp. 104–105.
- ↑ Booth, 2017, pp. 113–114.
- ↑ Booth, 2017, p. 115.
- ↑ Deakin, 2007, p. 105.
- ↑ Booth, 2017, pp. 114–115.
- ↑ Bensaude-Vincent, Bernadette. 7. The Chemist's Balance for Fluids: Hydrometers and Their Multiple Identities, 1770-1810 // Instruments and Experimentation in the History of Chemistry (англ.) / Edited by Frederic L. Holmes and Trevor H. Levere. — Massachusetts Institute of Technology Press, 2000. — P. 153. — 415 p. — ISBN 978-262082822. Архивировано 13 января 2024 года.
- ↑ Ian Spencer Hornsey. A history of beer and brewing. — Royal Society of Chemistry, 2003. — С. 429.
- ↑ Jeanne Bendick. Archimedes and the Door of Science. — Literary Licensing, LLC, 2011. — С. 63-64.
- ↑ Гинкин, 1939, с. 628.
- ↑ Перри, 2008, с. 1—19.
- ↑ Смителс, 1949, с. 41.
- ↑ Гинкин, 1939, с. 629.
- ↑ Fakhry A. Assaad, Philip Elmer LaMoreaux, Travis H. Hughes (ed.), Field Methods for Geologists and Hydrogeologists, Springer Science & Business Media, 2004 ISBN 3540408827, p.299
- ↑ Энциклопедия Университета Британской Колумбии
Литература
править- Ареометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- Г. Г. Гинкин. Справочник по радиотехнике. — 3-е, исправленное и дополненное. — Москва - Ленинград: Оборонгиз, 1939.
- Charlotte Booth. Hypatia: Mathematician, Philosopher, Myth. — London: Fonthill Media, 2017. — ISBN 978-1-78155-546-0.
- Deakin, M. A. B. Hypatia of Alexandria // Function. — 1992. — Т. 16, вып. 1. — С. 17–22.
- Deakin, Michael A. B. Hypatia of Alexandria: Mathematician and Martyr. — Amherst, NY: Prometheus Books, 2007. — ISBN 978-1-59102-520-7.
- Perry. Perry's Chemical Engineers' Handbook. — 8-е. — McGraw-Hill, 2008. — ISBN 978-0-07-142294-9.
- Smithells, Colin J. and Al. Metals Reference Book. — London: Butterworths Scientific Publications, 1949.
- Jonathan Theodore. The Modern Cultural Myth of the Decline and Fall of the Roman Empire. — Manchester, England: Palgrave, Macmillan, 2016. — ISBN 978-1-137-56997-4.
