Почему для жидкости барометра лучше использовать ртуть (Hg), а не воду (H₂O)?

Основная идея такая: для барометра нужна жидкость, которая даст короткий, удобный столбик, не будет сильно испаряться, не будет “портить” показания и останется жидкой в нормальных условиях. По всем этим пунктам ртуть выигрывает у воды почти по всем статьям.

Разберу по пунктам.

1. Плотность и высота столба

Атмосферное давление измеряем по формуле
$p = \rho g h$, где

• $p$ — давление (атмосферное),

• $\rho$ — плотность жидкости,

• $g$ — ускорение свободного падения,

• $h$ — высота столба жидкости.

Плотность:

• вода: примерно $1000 \, \text{кг/м}^3$,

• ртуть: примерно $13600 \, \text{кг/м}^3$.

Высота столба обратно пропорциональна плотности: чем плотнее жидкость, тем меньше высота при одном и том же давлении.

Для атмосферного давления ~101 325 Па:

Для воды:

То есть водяной барометр должен иметь трубку больше 10 метров высотой. Это:

• неудобно конструктивно,

• сложно разместить в лаборатории или доме,

• труднее обеспечить вертикальность и точность.

Для ртути:

То есть классические 760 мм ртутного столба — это уже комфортная высота: меньше метра, удобная для прибора. Поэтому именно ртуть позволяет сделать барометр компактным и практичным.

2. Давление насыщенного пара: ртуть почти не испаряется

Барометрическая трубка сверху “закрыта” вакуумом (идея Торричелли): над жидкостью должен быть либо почти идеальный вакуум, либо очень разреженный газ.

У жидкости есть давление насыщенного пара — насколько интенсивно она испаряется при данной температуре.

• У воды при комнатной температуре давление насыщенного пара вполне заметное. Вода будет испаряться в верхнюю часть трубки, и там образуется водяной пар с ненулевым давлением. Это давление будет вычитаться из перепада давления столба — показания станут зависеть от температуры, влажности, внутренних процессов испарения. Барометр становится менее точным и менее стабильным.

• У ртути давление насыщенного пара при комнатной температуре очень маленькое. Количество паров ртути над столбом ничтожно в сравнении с атмосферным давлением. Поэтому верхняя часть трубки практически считается вакуумом, а показания барометра — гораздо более точны и стабильны.

Именно низкое давление насыщенного пара — один из ключевых факторов, почему в барометрах классически закрепилась ртуть.

3. Смачивание стекла и форма мениска

Жидкости ведут себя по-разному по отношению к стенкам:

• Вода смачивает стекло. В узких трубках образуется вогнутый мениск, вода “ползёт” по стенкам. Это:

  • меняет уровень жидкости у края по сравнению с центром,

  • усиливает капиллярные эффекты (подъём или опускание столба),

  • создаёт дополнительные поправки, особенно при необходимости узкой трубки (а для водяного столба в 10 м узкая трубка почти неизбежна).

• Ртуть плохо смачивает стекло, образует выпуклый мениск и в целом не “прилипает” к стенкам. В относительно широкой трубке (что нам позволяет короткий столбик ~760 мм) капиллярные эффекты малы, и:

  • уровень столба хорошо определяется,

  • показания устойчивы и легко считывать.

Проще говоря, с ртутью барометр получается точнее и удобнее в чтении.

4. Температурный диапазон и агрегатное состояние

С точки зрения практики тоже есть важные моменты.

Вода:

• замерзает при 0 °C → зимой водяной барометр просто превратится в ледяную колонну и работать перестанет;

• при высоких температурах интенсивно испаряется, что снова ведёт к нестабильности показаний;

• плотность воды заметно меняется с температурой, что тоже ухудшает точность.

Ртуть:

• остаётся жидкой в достаточно широком диапазоне температур, актуальном для метеорологии (плавится около −39 °C, закипает около 357 °C);

• испаряется слабо при обычных температурах;

• плотность, конечно, тоже зависит от температуры, но барометры калибруют с учётом этого, и поправки вполне контролируемы.

Поэтому ртутный барометр можно использовать в реальных погодных условиях без страха, что он “замёрзнет” или станет показывать что-то странное из-за сильного испарения.

5. Чистота и химическая устойчивость

Вода:

• растворяет газы (кислород, азот, углекислый газ), соли, примеси, может взаимодействовать со стеклом и материалами;

• со временем может “зацвести”, загрязниться, образовывать пузырьки, что всё негативно влияет на стабильность столба.

Ртуть:

• химически достаточно инертна по отношению к стеклу;

• не растворяет кислород и азот в заметных количествах, не пенится, не образует спонтанно пузырьки (при условии нормальной чистоты);

• легко очищается от механических примесей (их видно, можно удалить).

В итоге ртутный барометр может работать годами без серьёзных изменений свойств жидкости.

6. Недостатки ртути (для полноты картины)

Честно стоит отметить: у ртути есть и серьёзный минус — токсичность.
Из-за этого в последние десятилетия во многих странах:

• ограничивают использование ртутных приборов,

• переходят на электронные барометры, анероиды и другие решения.

Но именно для классического жидкостного барометра ртуть исторически оказалась почти идеальным компромиссом: высокая плотность, низкое давление насыщенного пара, плохое смачивание стекла, удобный температурный диапазон и химическая стабильность.

Итог

Ртуть используют в барометрах вместо воды, потому что:

1. Из-за большой плотности ртути столбик получается коротким (~76 см вместо ~10 м воды) и удобным для реального прибора.

2. Ртуть почти не испаряется, поэтому над столбом можно считать практически вакуум, показания стабильнее и точнее.

3. Ртуть не смачивает стекло, образует чёткий мениск и даёт меньшие капиллярные ошибки.

4. Ртуть не замерзает при обычных зимних температурах и мало меняет свойства в рабочих условиях барометра.

5. Ртуть химически довольно устойчива, не пенится, не “зацветает” и не растворяет газы в значимых количествах.

По совокупности этих причин ртуть (Hg) для барометра существенно практичнее и точнее, чем вода (H₂O), несмотря на её токсичность.