Без кейворда

Температурні поправки для гідрометрів

Солоність є одним з найбільш важливих хімічних параметрів для моніторингу в рифових акваріумах. Хоча існує безліч способів вимірювання солоності, включаючи використання рефрактометрів та електронних кондуктометрів, гідрометри можуть бути точним і недорогим методом. На жаль, не всі гідрометри є достатньо точними, і в колонці минулого місяця був наведений рецепт стандартного розчину, за допомогою якого можна відкалібрувати або, принаймні, перевірити роботу типових гідрометрів.

На додаток до таких питань калібрування, однак, існує значна проблема впливу температури на гідрометри. У цій статті описано, як і чому температура впливає на деякі гідрометри, а не на інші. У ній також наведено таблицю та калькулятор для виконання температурних поправок на одному з найпоширеніших типів гідрометрів, що використовуються рифовими акваріумістами.

Я не буду торкатися в цій статті питання про те, які значення солоності є “оптимальними” для утримання морських акваріумів. Це питання вже розглядалося раніше, наприклад, в цій статті Рона Шимека.

Ще одне зауваження щодо солоності: у цій статті, як і в літературі з хімічної океанографії, солоність морської води часто визначається як безрозмірна одиниця, S (часто її називають PSU, Практичні одиниці солоності). У старій літературі солоність традиційно виражалася в одиницях ppt (частин на тисячу за вагою), що приблизно правильно, але зараз вона визначається як відношення провідності морської води до провідності розчину хлориду калію певного складу. Отже, морська вода має S=35 (або якесь подібне число). 1 Інші розчини, такі як простий хлорид натрію, не визначаються таким чином, і все ще подаються в одиницях ppt.

Рисунок 1. Маятниковий гідрометр SeaTest.

Короткий виклад температурних поправок

Для тих, хто вже добре розуміє, як і чому гідрометри придатні для вимірювання солоності, або кому це байдуже, цей розділ пропонує простий спосіб вирішення температурних питань, пов’язаних з гідрометрами. Для тих, хто більше зацікавлений у розумінні того, що вимірюється і чому, наступні розділи цієї статті надають необхідну інформацію.

Маятникові гідрометри (рис. 1). Ці типи гідрометрів не потребують температурної корекції, як за їх власним твердженням, так і за результатами деяких обмежених випробувань, про які я повідомляв у попередній статті. Незалежно від того, точні вони чи ні, значення солоності, визначені за допомогою такого гідрометра, є досить незалежними від температури.

Для гідрометрів, відкаліброваних при 77�F (таких як Tropic Marin, рис. 2), правильний взаємозв’язок між солоністю, температурою вимірювання і показаннями гідрометра можна знайти в таблиці 1 нижче (надана Йоханом Теландером) і в цьому калькуляторі (написаному Саймоном Хантінгтоном).

Для гідрометрів, відкаліброваних при 15 °С (або 60 °F; звичайна температура калібрування для наукових гідрометрів), доступно багато онлайн-таблиць.

Для тих гідрометрів, що відкалібровані при інших температурах, поправки є більш складними (і менш точними), оскільки таблиці не є загальнодоступними. У цьому випадку я пропоную додати 0,00035 до показань гідрометра на кожний 1ºC (або 0,00019 на 1ºF), на який температура вимірювання перевищує температуру калібрування, щоб отримати скориговану питому вагу. Аналогічно, відніміть цю суму, якщо температура нижче температури калібрування.

Таблиця 1. Натисніть на зображення для збільшення версії Adobe Acrobat.

Малюнок 2. Плавучий гідрометр Tropic Marin, що показує температуру калібрування 77°F.

Що таке питома вага?

Питома вага визначається як відношення густини рідини до густини чистої води. Оскільки густина чистої води змінюється в залежності від її температури, для правильного визначення питомої ваги необхідно вказати температуру чистої води. У багатьох наукових дослідженнях (наприклад, у мінералогії) за температурний стандарт прийнято 3,98°C (39,2°F, температура максимальної густини чистої води). При цій температурі густина чистої води становить 1,0000 г/см3, або 1,0000 г/мл. Якщо це обраний стандарт, легко побачити, що питома вага – це просто щільність зразка при 3,98°C, виміряна в г/см3 (без будь-яких одиниць, оскільки питома вага є безодиницевою мірою).

Чому питома вага корисна для акваріумістів? В першу чергу тому, що це простий і кількісний спосіб визначити, скільки чогось знаходиться у воді. Якщо в ній розчинити хімічні речовини, менш щільні, ніж вода, то її питома вага буде падати. Етанол, наприклад, менш щільний, ніж вода, і тому має меншу питому вагу. Цей факт використовується пивоварами для вимірювання кількості алкоголю в їх пиві.

Аналогічно, якщо в ній розчинити хімічні речовини, які густіші за воду, то її питома вага зростає. Майже всі неорганічні солі густіші за воду, тому розчинення їх у воді підвищує питому вагу. Це збільшення може бути використано акваріумістами для визначення кількості солі у воді. Звичайно, він не може сказати, що знаходиться у воді, але для акваріумістів, які використовують відповідну сольову суміш, він може сказати, скільки її є і чи наближається вона до природної морської води чи ні.

Гідрометри

Акваріумісти стикаються з двома основними типами гідрометрів. Перший – це стандартний плаваючий гідрометр, який складається зі скляного “поплавка”, який опускається у воду. Наскільки високо він спливає у воді, є показником питомої ваги розчину. Другий тип часто називають гідрометром з маятниковим важелем. Він має пластиковий поплавок, прикріплений в точці повороту, і цей поплавок розгойдується до певного положення в залежності від питомої ваги розчину.

Ці два типи гідрометрів відрізняються в деяких важливих аспектах. У контексті цієї статті найважливіша з цих відмінностей полягає в тому, що гідрометри з поворотним важелем зазвичай не вимагають жодних поправок на температурні ефекти в діапазоні, який зазвичай використовується акваріумістами, в той час як стандартні гідрометри часто вимагають цього.

Як стандартні гідрометри вимірюють питому вагу?

Стандартні гідрометри працюють за принципом Архімеда, який стверджує, що вага гідрометра (або будь-якого іншого об’єкта, наприклад, айсберга або корабля) дорівнює вазі рідини, яку він витісняє. Отже, гідрометр буде тонути лише до тих пір, поки не витіснить власну вагу. Коли його опускають у розчини різної густини, він спливає вище або нижче, просто витісняючи власну вагу. У більш щільних рідинах він плаває вище (витісняючи менше рідини), а в менш щільних – нижче. По суті, цей принцип є відображенням того факту, що гравітаційна потенційна енергія системи мінімізується, коли гідрометр просто витісняє власну вагу. Будь-яке інше переміщення спричиняє сили на воду та гідрометр, які змушують їх рухатися до положення рівноваги.

Як вимірюють питому вагу за допомогою маятникових гідрометрів?

Маятникові гідрометри дещо відрізняються, оскільки жодна частина їхнього плеча не знаходиться над ватерлінією. Замість цього, маятниковий важіль реагує на різницю щільності шляхом обертання важеля, що має нерівномірний розподіл ваги. Типові аматорські маятникові гідрометри використовують руку, виготовлену з двох різних матеріалів (Рисунок 1). Різниця густини між водою та одним матеріалом змушує руку коливатися в одному напрямку, а різниця густини між водою та іншим матеріалом змушує руку коливатися в протилежному напрямку. У положенні рівноваги ці сили зрівноважуються, і гідрометр дає постійні показання. Як і у випадку з плаваючими гідрометрами, кінцевим результатом є мінімізація гравітаційної потенційної енергії системи.

Чи впливає іонний дисбаланс на питому гравітацію?

Для розуміння цього ефекту зазначимо, що розумно припустити, що всі іони вносять свій внесок у питому вагу в кількості, пропорційній відсотку їх ваги в морській воді. Наприклад, я перевірив питому вагу 15 різних неорганічних солей при однаковій “солоності” (100 ppt при 20°C). Всі вони були дуже схожі, з різницею менш ніж у два рази між найвищою (сульфат цинку, питома вага = 1,1091 г/см3 ) і найнижчою (хлорид літію; питома вага = 1,0579).

У певному сенсі, чим більше будь-якого іона, незалежно від його хімічної природи, тим більший його вплив на питому вагу. Оскільки саме це і є солоність (вага розчинених твердих речовин у воді), малоймовірно, що будь-яка нормальна варіація іонів, яку спостерігають морські акваріумісти, надмірно спотворює вимірювання питомої ваги. Оскільки чотири найпоширеніші іони в морській воді (Na+, Mg+=, Cl-, SO4 –) складають 97% від загальної ваги, будь-які зміни інших іонів не матимуть значного впливу на питому вагу.

А як щодо зміни цих чотирьох іонів? Візьмемо крайній випадок, коли сіль складається тільки з хлориду натрію. Виявляється, що розчин хлориду натрію густиною 37,1 ppt має таку ж питому вагу, як і морська вода густиною S = 35. Таким чином, ми бачимо, що навіть великі зміни в іонному балансі призводять до досить невеликих змін у співвідношенні між питомою вагою і солоністю. З цих причин для більшості акваріумістів безпечно ігнорувати будь-який вплив, який можуть мати відмінності в іонних складових на співвідношення між питомою вагою і солоністю. Звичайно, якщо суміш морської води була б дуже неточною (наприклад, складалася б тільки з броміду калію або сульфату магнію), то взаємозв’язок між питомою вагою і солоністю, який передбачається для морської води, буде порушений. Наприклад, чистий розчин броміду калію з такою ж питомою вагою, як у природної морської води (S = 35), має “солоність” близько 36 ppt. Аналогічний чистий розчин сульфату магнію має “солоність” лише 26 проміле.

Температура “еталону”

На жаль, світ питомої ваги не такий простий, як описано вище. Очевидно, що в різних галузях обрані різні стандартні температури. На додаток до стандарту 3,98°C, інші включають 20°C (68°F) і 60°F (15,6°C). Швидкий перегляд декількох каталогів лабораторного обладнання показує багато прикладів гідрометрів, що використовують кожну з цих двох температур, а також кілька нестандартних, доданих для повноти картини (наприклад, 102°F для молока). Багато авторів, які пишуть про морські акваріуми, припускають, що любителі використовують стандарт 60 ° F, але насправді багато хто не використовує, і, ймовірно, в більшості випадків вони навіть не знають, що вони використовують. Багато сучасних аматорських гідрометрів використовують інші стандарти, причому 77°F (25°C) є досить популярним (наприклад, використовується Tropic Marin).

Густина чистої води при 20°C становить 0,998206 г/см3 , а при 60°F – 0,9990247 г/см3 . Хоча ці показники здаються близькими до 1, і часто в багатьох контекстах просто стверджується, що вони дорівнюють 1,00, різниця може бути суттєвою. Наприклад, питома вага природної морської води (S = 35) становить 1,0278 при використанні стандарту 3,98°C, 1,0269 при використанні стандарту 60°F, 1,0266 при використанні стандарту 20°C і 1,0264 при використанні стандарту 77°F. [Я розрахував ці значення на основі таблиць густини морської води; в різних таблицях можуть бути представлені дещо інші значення густини, що може призвести до дещо інших значень питомої ваги]. Хоча ці відмінності невеликі, вони реальні. Вони виникають тому, що щільність чистої води і морської води змінюється дещо по-різному при зміні температури. Морська вода стає менш щільною швидше, ніж чиста вода, коли температура підвищується. Цей ефект може бути пов’язаний із взаємодією між іонами, а також між іонами та водою в морській воді, які руйнуються при підвищенні температури, але це виходить за рамки цієї статті.

На жаль, багато акваріумістів, які посилаються на вимірювання питомої ваги для своїх акваріумів, не знають, який стандарт використовує їхній гідрометр. Більшість якісних лабораторних гідрометрів матимуть стандарт, який використовується, написаний на них або знайдений у їх супровідних документах. Однак на деяких аматорських гідрометрах немає жодної згадки про використовуваний стандарт. Зауважте, що не існує жодної “поправочної” таблиці, яка може перетворити показання при температурах, відмінних від стандартної температури, якщо тільки стандартна температура не відома. Якщо вона не відома, використання такої таблиці не дасть точних значень, і може дати значення, далеке від істини, ніж нескориговані показання.

Температура зразка

Як ніби плутанини з температурою стандарту було недостатньо, температура зразка також є змінною величиною. Багато якісних лабораторних гідрометрів (стандартного плаваючого типу) також мають очікувану температуру зразка, зазначену безпосередньо на них (Рисунок 2). Це називається “еталонною” температурою. У багатьох випадках (хоча і не у всіх) стандартна температура і еталонна температура однакові: або 60°F, або 20°C. Це часто пишуть як “60°F/60°F”, хоча іноді пишуть просто як “Температура стандартизації: 60°F”. Якщо гідрометр використовується при еталонній температурі, ніяких спеціальних поправок не потрібно (хоча вимірювання буде дещо залежати від стандартної температури, обраної виробником, як описано вище).

Чому температура зразка має значення? Є дві причини. Одна з них полягає в тому, що сам гідрометр може змінювати свою щільність в залежності від температури, і, таким чином, давати неправильні показання при будь-якій температурі, крім тієї, для якої він спеціально розроблений (тобто, він плаває вище або нижче, коли змінюється його щільність). На жаль, якщо немає таблиці для цього конкретного гідрометра (яка рідко поставляється), цей ефект не може бути виправлений за допомогою таблиці через різні матеріали, з яких виготовлені гідрометри. Використовуються різні типи скла та пластику, і кожен з них буде мати свою особливу зміну щільності в залежності від температури. Слід зазначити, що цей ефект для скляних гідрометрів значно менший, ніж другий ефект, описаний нижче, оскільки зміна густини скла з температурою у 8-25 разів менша, ніж зміна густини водних рідин.

Друга причина важливості температури зразка полягає в тому, що сам зразок буде змінювати свою густину в залежності від температури. Наприклад, щільність морської води (S = 35) змінюється від 1,028 г/см3 при 3,98°C до 1,025 г/см3 при 20°C і до 1,023 г/см3 при типовій температурі морського акваріума 80°F. Оскільки щільність зразка змінюється з температурою, виміряна питома вага також буде змінюватися, якщо це не враховано.

Температурні поправки для стандартних плаваючих гідрометрів

Для стандартних плаваючих гідрометрів вплив температури на густину зразка можна скоригувати за допомогою таблиці, припускаючи, що ми знаємо, як густина зразка буде змінюватися з температурою (що добре відомо для морської води), а також, що ми знаємо температуру стандартизації гідрометра. Наприклад, гідрометр, відкалібрований при 60°F/60°F, повинен бути скоригований на різницю в густині між зразком при 60°F і зразком при температурі, при якій він випробовується. Якщо фактична проба була виміряна при 86°F, то поправка дорівнює відношенню щільності морської води при 86°F (приблизно 1,0217 г/см3 ) до щільності при 60°F (приблизно 1,0259 г/см3 ), або 0,996. Таким чином, показник питомої ваги, або, точніше, показник гідрометра, що дорівнює 1,023, буде скоригований до “фактичного” показника 1,027.

Якщо температура стандартизації невідома, то корекція за допомогою таблиці з такою ж ймовірністю може призвести до більших помилок, як і до виправлення будь-яких помилок. Аналогічно, використання “поправочної” таблиці, в якій не вказано, що саме вона призначена для виправлення, є однаково ризикованим.

Поправки, які слід використовувати для стандартних гідрометрів, наведені в резюме на початку цієї статті.

Температурні поправки для маятникових гідрометрів

Деякі морські хобі-гідрометри, які часто називаються маятниковими, стверджують, що вони є точними при будь-яких температурах (68 – 85°F; до них відносяться SeaTest, Deep Six, Instant Ocean та eSHa Marinomat). Такий прилад можна було б сконструювати, якби його зміна щільності в залежності від температури була точно такою ж, як у морської води при всіх температурах.

Я протестував два таких маятникових гідрометра і повідомив про результати в попередній статті. Хоча один з них був не дуже точним (показання S=32, коли розчин мав S=35), обидва вони дали результати, які приблизно не залежали від температури між 68 і 80°F.

Отже, гідрометри з поворотним важелем не повинні піддаватися будь-яким температурним поправкам у звичайному діапазоні використання для рифового акваріума. Однак вони можуть отримати користь від перевірки їх калібрування за допомогою стандартного розчину.

Як користуватися стандартним гідрометром

Ось кілька додаткових порад щодо використання стандартного гідрометра:

1. Переконайтеся, що гідрометр повністю чистий (без сольових відкладень) і що та частина гідрометра, яка знаходиться над ватерлінією, суха. Якщо кинути його у воду, щоб він глибоко занурився, а потім піднявся на поверхню, на відкритій частині залишиться вода, яка обтяжить гідрометр і дасть помилково низький показник питомої ваги. Відкладення солі вище ватерлінії матимуть такий самий ефект. Якщо будь-які відкладення не розчиняються легко, спробуйте промити їх у розведеній кислоті (наприклад, оцті або розведеній соляній кислоті). 2. Переконайтеся, що до гідрометра не прикріплені бульбашки повітря. Вони сприятимуть спливанню гідрометра і даватимуть помилково високі показники питомої ваги. 3. Переконайтеся, що гідрометр має таку ж температуру, як і вода (і, бажано, повітря). 4. Знімайте показання гідрометра в площині поверхні води, а не по меніску (рис. 3; меніск – це кромка води, яка або піднімається вгору вздовж штока гідрометра, або вигинається вниз у воду, в залежності від гідрофобності гідрометра). 5. Після використання промити очищеною прісною водою для зменшення відкладень. 6. Не залишайте гідрометр плавати в акваріумі між використаннями. Якщо залишити його в акваріумі, можуть утворитися відкладення, які буде важко видалити.

Малюнок 3. Плаваючий гідрометр Tropic Marin, що показує, що меніск піднімається приблизно до 1,0260, але фактичне показання становить близько 1,0265.

Як користуватися маятниковим гідрометром

На додаток до описаних вище, наведемо кілька спеціальних порад щодо використання маятникових гідрометрів:

7. Переконайтеся, що гідрометр повністю вирівняний. Невеликий нахил в будь-яку сторону змінить показання. 8. Деякі маятникові гідрометри рекомендують “приправляти” голку, заповнюючи її водою на 24 години перед використанням. Це, імовірно, дозволяє воді, що всмокталася в пластик, досягти рівноваги. У випадку з гідрометром, який я тестував у попередній статті, гідрометр став трохи менш точним після “приправлення”.

Гідрометри – це недорогий і простий спосіб вимірювання солоності води в морських акваріумах. Для того, щоб найбільш ефективно використовувати гідрометри, акваріумісти повинні знати, коли вони повинні застосовувати температурну поправку до показань гідрометра, щоб отримати точне значення питомої ваги, а коли в цьому немає необхідності. Ця стаття допоможе акваріумістам правильно застосовувати такі поправки.

1. Міллеро, Френк Дж. Хімічна океанографія, друге видання. (1996), 496 сторінок.

Source: reefkeeping.com