Без кейворда

Температурные поправки для гидрометров

Соленость – один из самых важных химических параметров, которые необходимо контролировать в рифовых аквариумах. Хотя существует множество способов измерения солености, включая использование рефрактометров и электронных измерителей проводимости, гидрометры могут быть точным и недорогим методом. К сожалению, не все гидрометры достаточно точны, и в прошлой колонке был приведен рецепт стандартного раствора, с помощью которого можно откалибровать или хотя бы проверить работу типичных гидрометров.

Однако в дополнение к таким вопросам калибровки существует серьезная проблема влияния температуры на гидрометры. В этой статье описывается, как и почему температура влияет на одни гидрометры, а на другие нет. В ней также приведена таблица и калькулятор для выполнения температурных поправок на одном из наиболее распространенных типов гидрометров, используемых рифовыми аквариумистами.

Я не буду рассматривать в этой статье вопрос о том, какие значения солености являются “оптимальными” для содержания морских аквариумов. Этот вопрос уже рассматривался ранее, например, в этой статье Рона Шимека.

Еще одно замечание по солености: в этой статье, как и в литературе по химической океанографии, соленость морской воды часто определяется как безразмерная единица, S (часто называемая PSU, практические единицы солености). В старой литературе соленость традиционно выражалась в единицах ppt (частей на тысячу по весу), что примерно соответствует правильному представлению о ней, но сейчас она определяется как отношение электропроводности морской воды к электропроводности раствора хлорида калия определенного состава. Следовательно, морская вода имеет S=35 (или другое подобное число). 1 Другие растворы, например, простой хлорид натрия, не определяются подобным образом, и о них по-прежнему сообщают в единицах ppt.

Рисунок 1. Гидрометр SeaTest с поворотным рычагом.

Резюме температурных поправок

Для тех, кто уже хорошо понимает, как и почему гидрометры подходят для измерения солености, или для тех, кому это не важно, в этом разделе приведен простой способ решения температурных проблем с гидрометрами. Для тех, кто больше заинтересован в понимании того, что измеряется и почему, последующие разделы этой статьи предоставляют необходимую информацию.

Гидрометры Swing Arm (рис. 1). Эти типы гидрометров не нуждаются в температурной коррекции, как по их собственному утверждению, так и по результатам некоторых ограниченных испытаний, о которых я сообщал в предыдущей статье. Независимо от того, точны они или нет, значения солености, определенные с помощью такого гидрометра, достаточно независимы от температуры.

Для гидрометров, откалиброванных при 77 °F (таких как Tropic Marin, рис. 2), правильная зависимость между соленостью, температурой измерения и показаниями гидрометра приведена в таблице 1 ниже (предоставленной Йоханом Теландером) и в этом калькуляторе по ссылке (написанном Саймоном Хантингтоном).

Для гидрометров, откалиброванных при температуре 15 °C (или 60 °F; обычная температура калибровки для научных гидрометров), доступно множество онлайн таблиц.

Для гидрометров, откалиброванных при других температурах, поправки более сложны (и менее точны), так как таблицы обычно недоступны. В этом случае я предлагаю добавить 0,00035 к показаниям гидрометра на каждый 1ºC (или 0,00019 на 1ºF), на который температура измерения превышает температуру калибровки, чтобы получить скорректированный удельный вес. Аналогично, вычтите эту величину, если температура ниже температуры калибровки.

Таблица 1. Нажмите на изображение для получения увеличенной версии в Adobe Acrobat.

Рисунок 2. Плавающий гидрометр Tropic Marin, калибровочная температура 77°F.

Что такое удельный вес?

Удельный вес определяется как отношение плотности жидкости к плотности чистой воды. Поскольку плотность чистой воды зависит от ее температуры, для определения удельного веса необходимо указать температуру чистой воды. Во многих научных исследованиях (например, в минералогии) в качестве температурного стандарта выбирается температура 3,98°C (39,2°F, температура максимальной плотности чистой воды). При этой температуре плотность чистой воды составляет 1,0000 г/см 3 , или 1,0000 г/мл. Если выбран именно этот стандарт, легко понять, что удельный вес – это просто плотность образца при температуре 3,98°C, измеренная в г/см 3 (без каких-либо единиц измерения, поскольку удельный вес – мера без единиц измерения).

Почему удельный вес полезен для аквариумистов? В первую очередь потому, что это простой и количественный способ определить, сколько чего-либо содержится в воде. Если в воде растворены химические вещества с меньшей плотностью, чем вода, то ее удельный вес уменьшается. Этанол, например, имеет меньшую плотность, чем вода, и поэтому снижает удельный вес. Этот факт используется пивоварами для определения количества алкоголя в их напитках.

Аналогичным образом, если в воде растворены химические вещества, более плотные, чем вода, ее удельный вес увеличивается. Почти все неорганические соли плотнее воды, поэтому их растворение в воде повышает удельный вес. Это увеличение может быть использовано аквариумистами для определения количества соли в воде. Конечно, он не может определить, что именно находится в воде, но для аквариумистов, использующих соответствующую смесь солей, он может определить, сколько ее там и соответствует ли она природной морской воде.

Гидрометры

Аквариумисты сталкиваются с двумя основными типами гидрометров. Первый – это стандартный плавающий гидрометр, который состоит из стеклянного “поплавка”, опускаемого в воду. То, как высоко он плавает в воде, является показателем удельного веса раствора. Второй тип часто называют гидрометром с поворотным рычагом. Он имеет пластиковый поплавок, закрепленный в точке поворота, и этот поплавок качается до определенного положения в зависимости от удельного веса раствора.

Эти два типа гидрометров отличаются по некоторым важным аспектам. В контексте данной статьи наиболее важным из этих различий является то, что гидрометры с поворотным рычагом обычно не требуют поправок на влияние температуры в диапазоне, обычно используемом аквариумистами, в то время как стандартные гидрометры часто делают это.

Как стандартные гидрометры измеряют удельный вес?

Стандартные гидрометры работают по принципу Архимеда, который гласит, что вес гидрометра (или любого другого объекта, например, айсберга или корабля) равен весу жидкости, которую он вытесняет. Следовательно, ареометр будет тонуть только до тех пор, пока не вытеснит свой собственный вес. Когда его помещают в растворы различной плотности, он плавает выше или ниже, просто вытесняя свой собственный вес. В более плотных жидкостях он плавает выше (вытесняя меньше жидкости), а в менее плотных – ниже. По сути, этот принцип является отражением того факта, что гравитационная потенциальная энергия системы минимальна, когда гидрометр просто перемещает свой собственный вес. Любое другое перемещение накладывает на воду и гидрометр силы, которые заставляют их двигаться к положению равновесия.

Как гидрометры с поворотным рычагом измеряют удельный вес?

Гидрометры с поворотным рычагом немного отличаются, поскольку ни одна часть их рычага не находится над ватерлинией. Вместо этого маятниковый рычаг реагирует на разницу плотности путем вращения рычага с неоднородным распределением веса. В типичных хобби-гидрометрах используется рычаг, изготовленный из двух разных материалов (рис. 1). Разница в плотности между водой и одним материалом заставляет рычаг вращаться в одном направлении, а разница в плотности между водой и другим материалом заставляет рычаг вращаться в противоположном направлении. В положении равновесия эти силы уравновешиваются, и гидрометр дает стабильные показания. Как и в случае с плавающими гидрометрами, конечным результатом является минимизация гравитационной потенциальной энергии системы.

Влияет ли ионный дисбаланс на удельный вес?

Для понимания этого эффекта следует отметить, что разумно предположить, что все ионы вносят свой вклад в удельный вес в количестве, пропорциональном процентной доле их веса в морской воде. Например, я проверил удельный вес 15 различных неорганических солей при одинаковой “солености” (100 ppt при 20°C). Все они были очень похожи, с разницей менее чем в два раза между самым высоким (сульфат цинка, удельный вес = 1,1091 г/см 3 ) и самым низким (хлорид лития, удельный вес = 1,0579).

В некотором смысле, чем больше ионов присутствует в воде, независимо от их химической природы, тем больше их влияние на удельный вес. Поскольку именно это и есть соленость (вес растворенных твердых веществ в воде), маловероятно, что обычные колебания ионов, наблюдаемые морскими аквариумистами, будут чрезмерно искажать измерения удельного веса. Поскольку четыре наиболее распространенных иона в морской воде (Na + , Mg += , Cl – , SO4 — ) составляют 97% от общего веса, любые изменения других ионов не окажут существенного влияния на удельный вес.

А как насчет изменений в этих четырех ионах? Возьмем крайний случай, когда соль состоит только из хлорида натрия. Оказывается, что 37,1 ppt раствор хлорида натрия имеет такой же удельный вес, как и морская вода S = 35. Таким образом, мы видим, что даже большие изменения в ионном балансе приводят к довольно небольшим изменениям в зависимости между удельным весом и соленостью. По этим причинам большинство аквариумистов могут игнорировать любое влияние различий в ионных составляющих на зависимость между удельным весом и соленостью. Конечно, если смесь морской воды была грубо неточной (состоящей, например, только из бромида калия или сульфата магния), то зависимость между удельным весом и соленостью, принятая для морской воды, будет нарушена. Например, чистый раствор бромистого калия с таким же удельным весом, как и природная морская вода (S = 35), имеет “соленость” около 36 ppt. Аналогичный чистый раствор сульфата магния имеет “соленость” всего 26 ppt.

Температура “стандарта”

К сожалению, мир удельного веса не так прост, как описано выше. В разных областях, очевидно, выбраны разные стандартные температуры. В дополнение к стандарту 3,98°C, другие включают 20°C (68°F) и 60°F (15,6°C). Быстрый просмотр нескольких каталогов лабораторных принадлежностей показывает множество примеров гидрометров, использующих каждый из этих двух стандартов, а также несколько странных (например, 102°F для молока). Многие авторы, пишущие о морских аквариумах, полагают, что любители используют стандарт 60°F, но на самом деле многие из них так не делают, и, вероятно, в большинстве случаев они даже не знают, что используют. Многие современные гидрометры для хобби используют другие стандарты, в том числе 77°F (25°C), который довольно популярен (например, используется компанией Tropic Marin).

Плотность чистой воды при 20°C составляет 0,998206 г/см 3 , а при 60°F – 0,9990247 г/см 3 . Хотя эти значения кажутся близкими к 1, и во многих контекстах часто подразумевается, что они равны 1,00, разница может быть существенной. Например, удельный вес природной морской воды (S =35) составляет 1,0278 при температуре 3,98°C, 1,0269 при температуре 60°F, 1,0266 при температуре 20°C и 1,0264 при температуре 77°F. [Я рассчитал эти значения на основе таблиц плотности морской воды; в разных таблицах могут быть представлены немного другие значения плотности, что может привести к немного другому удельному весу]. Хотя эти различия невелики, они реальны. Они возникают потому, что плотность чистой воды и морской воды изменяется несколько по-разному при изменении температуры. При повышении температуры морская вода становится менее плотной быстрее, чем чистая вода. Этот эффект может быть связан с взаимодействиями между ионами и между ионами и водой в морской воде, которые разрушаются при повышении температуры, но это выходит за рамки данной статьи.

К сожалению, многие аквариумисты, требующие измерения удельного веса для своих аквариумов, не знают, какой стандарт использует их гидрометр. На большинстве качественных лабораторных гидрометров написан используемый стандарт или он указан в сопроводительных документах. Однако на некоторых любительских гидрометрах нет упоминания об используемом стандарте. Обратите внимание, что не существует “корректирующей” таблицы, которая может преобразовать показания при температуре, отличной от стандартной, если только стандартная температура не известна. Если она неизвестна, использование такой таблицы не даст точных значений, а может дать значение, более далекое от истины, чем показания без поправки.

Температура образца

Как будто путаницы с температурой стандарта недостаточно, температура образца также является переменной величиной. На многих качественных лабораторных гидрометрах (стандартного плавающего типа) непосредственно указана ожидаемая температура образца (рис. 2). Это называется “эталонной” температурой. В очень многих случаях (хотя и не во всех) стандартная и эталонная температура совпадают: либо 60°F, либо 20°C. Часто это обозначается как “60°F/60°F”, хотя иногда пишут просто “Температура стандартизации: 60°F”. Если гидрометр используется при эталонной температуре, никаких специальных поправок не требуется (хотя результаты измерения будут немного зависеть от стандартной температуры, выбранной производителем, как описано выше).

Почему температура образца имеет значение? Есть две причины. Первая заключается в том, что сам ареометр может менять свою плотность в зависимости от температуры и, таким образом, давать неверные показания при любой температуре, кроме той, для которой он специально предназначен (т.е. он плавает выше или ниже при изменении его плотности). К сожалению, если нет таблицы для конкретного гидрометра (что бывает редко), этот эффект не может быть исправлен с помощью таблицы из-за различных материалов, из которых изготавливаются гидрометры. Используются различные виды стекла и пластика, и каждый из них имеет свои особенности изменения плотности в зависимости от температуры. Следует отметить, что для стеклянных гидрометров этот эффект значительно меньше, чем второй эффект, описанный ниже, поскольку изменение плотности стекла с температурой в 8-25 раз меньше, чем изменение плотности водных жидкостей.

Вторая причина важности температуры образца заключается в том, что сам образец будет менять свою плотность в зависимости от температуры. Например, плотность морской воды (S = 35) изменяется от 1,028 г/см 3 при 3,98°C до 1,025 г/см 3 при 20°C и 1,023 г/см 3 при типичной температуре морского аквариума 80°F. Поскольку плотность образца изменяется с температурой, измеренный удельный вес также изменится, если это не будет учтено.

Температурные поправки для стандартных плавающих гидрометров

Для стандартных плавающих гидрометров влияние температуры на плотность образца может быть скорректировано с помощью таблицы, если мы знаем, как плотность образца изменяется с температурой (что хорошо известно для морской воды), а также знаем температуру стандартизации гидрометра. Например, гидрометр, откалиброванный при 60°F/60°F, должен быть скорректирован на разницу в плотности между образцом при 60°F и образцом при температуре, при которой он тестируется. Если фактический образец был измерен при 86°F, то поправка равна отношению плотности морской воды при 86°F (приблизительно 1,0217 г/см 3 ) к плотности при 60°F (приблизительно 1,0259 г/см 3 ), или 0,996. Таким образом, показания удельного веса, или, правильнее, показания гидрометра, равные 1,023, будут скорректированы до “фактических” показаний 1,027.

Если температура стандартизации неизвестна, то коррекция с помощью таблицы с такой же вероятностью приведет к большим ошибкам, как и к исправлению любых ошибок. Аналогично, использование таблицы “поправок”, в которой не указано, что именно она должна исправить, также рискованно.

Поправки, которые следует использовать для стандартных гидрометров, приведены в сводке в начале этой статьи.

Температурные поправки для гидрометров с поворотным рычагом

Некоторые гидрометры для морских хобби, часто называемые гидрометрами с поворотным рычагом, утверждают, что они точны при любой температуре (68 – 85°F; к ним относятся SeaTest, Deep Six, Instant Ocean и eSHa Marinomat). Такой прибор можно было бы сконструировать, если бы изменение его плотности в зависимости от температуры было точно таким же, как у морской воды при любой температуре.

Я протестировал два таких гидрометра с поворотным рычагом и сообщил о результатах в предыдущей статье. Хотя один из них был не очень точным (показания S=32, когда раствор имел S=35), оба они дали результаты, которые примерно не зависели от температуры в диапазоне от 68 до 80°F.

Следовательно, гидрометры с поворотным рычагом не должны подвергаться какой-либо температурной коррекции в обычном диапазоне использования для рифового аквариума. Тем не менее, им может помочь проверка калибровки с помощью стандартного раствора.

Как пользоваться стандартным гидрометром

Вот несколько дополнительных советов по использованию стандартного гидрометра:

1. Убедитесь, что гидрометр полностью чист (без отложений соли) и что часть гидрометра над ватерлинией сухая. Если бросить прибор так, чтобы он глубоко погрузился, а затем всплыл на поверхность, на открытой части останется вода, которая утяжелит гидрометр и даст ложное низкое показание удельного веса. Отложения соли выше ватерлинии будут иметь тот же эффект. Если какие-либо отложения легко не растворяются, попробуйте промыть его в разбавленной кислоте (например, уксусе или разбавленной соляной кислоте). 2. Убедитесь, что на гидрометре нет пузырьков воздуха. Они будут способствовать плавучести гидрометра и давать ложно высокие показания удельного веса. 3. Убедитесь, что температура гидрометра такая же, как температура воды (и, желательно, воздуха). 4. Отсчитывайте показания гидрометра на плоскости поверхности воды, а не по мениску (рис. 3; мениск – это кромка воды, которая либо поднимается вверх вдоль оси гидрометра, либо загибается вниз в воду, в зависимости от гидрофобности гидрометра). 5. После использования промывайте очищенной пресной водой для уменьшения отложений. 6. Не оставляйте гидрометр плавать в аквариуме между использованиями. Если оставить его в аквариуме, могут образоваться отложения, которые будет трудно удалить.

Рисунок 3. Плавающий гидрометр Tropic Marin: мениск поднимается примерно до 1,0260, но фактическое показание составляет около 1,0265.

Как использовать гидрометр с поворотным рычагом

В дополнение к описанным выше, ниже приведены некоторые специальные советы по использованию гидрометров с поворотным рычагом:

7. Убедитесь, что гидрометр расположен абсолютно ровно. Небольшой наклон в любую сторону изменит показания. 8. Некоторые гидрометры с поворотным рычагом рекомендуют “приправлять” иглу, заполняя ее водой на 24 часа перед использованием. Предположительно, это позволяет воде, впитавшейся в пластик, достичь равновесия. В случае с гидрометром, который я тестировал в предыдущей статье, точность гидрометра после “приправы” немного снизилась.

Гидрометры – это недорогой и простой способ измерения солености в морских аквариумах. Для наиболее эффективного использования гидрометров аквариумистам необходимо знать, когда следует применять температурную поправку к показаниям гидрометра, чтобы получить точное значение удельного веса, а когда в этом нет необходимости. Эта статья поможет аквариумистам правильно применять такие поправки.

1. Миллеро, Фрэнк Дж. Химическая океанография, второе издание. (1996), 496 стр.

Source: reefkeeping.com