Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей и твёрдых тел[1], принцип работы которого основан на законе Архимеда[2].
История
В 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
Обычно 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
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 Боме́
Французский химик Антуа́н Боме́ в 1768 году разработал современную конструкцию ареометра и шкалу плотности жидкостей в градусах Боме, обозначаемых как degrés 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:
Применение в геотехнике
Ареометр 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
- ↑ 12Физический 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.
- ↑ 12Theodore, 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
- 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.
