Термостат

— Для надобностей физики, химии, биологии и других экспериментальных наук и техники было устроено много разнообразных регуляторов температуры, или термостатов. Одни из них основаны на свойствах многих химически чистых веществ плавиться и кипеть при строго определенных температурах, а другие действуют механически: они содержат какое-либо приспособление, приходящее в движение и воздействующее на источник тепла, согревающий прибор, как только температура станет немного выше или ниже назначенной. Т. первых двух родов можно устроить лишь для некоторых температур, зависящих от выбранного вещества; последние допускают непрерывное изменение выбираемой температуры, но могут регулировать только приблизительно, так как температура должна измениться, чтобы регулирующий орган пришел в движение. Всего удобнее поддерживать температуру 0°, так как чистый лед тает при этой температуре, а изменчивость атмосферного давления производит в ней изменения, не превышающие 0,0001°. Но для этого надо наполнять Т. кашицею из мелко раздробленного чистого льда или снега; если на дне соберется много воды, то она может стать заметно теплее, так как при согревании от 0 до 4° вода становится плотнее и опускается вследствие этого на дно. Даже малая примесь солей понижает заметно темп. плавления льда, поэтому, если желают получить точность большую чем 0,01°, необходимо замораживать чистую, дистиллированную воду. Для других температур выбор веществ очень ограничен: только химически чистые вещества имеют определенную и постоянную температуру плавления, смеси дают непрерывное изменение при плавлении или застывании; около температуры плавления каждой составной части лишь замечается замедление нагревания или охлаждения смеси. Поэтому Т., основанные на постоянстве температур плавления, пригодны лишь для не очень продолжительных опытов, когда можно довольствоваться не особенно большою точностью; при продолжительном нагревании многие вещества изменяются в своем составе, а дурная теплопроводность большинства из них допускает значительные разности температур в разных точках Т. С большим или меньшим успехом могут служить следующие вещества: кристаллическая уксусная кислота (16,7° С), стеарин (55°), стеариновая кислота (69,2°); многие соли, претерпевающие водное плавление, олово (228°), свинец (325°), калиевая селитра (338°), смеси калиевой и натровой селитры в определенных отношениях (54,3 части KNO3 и 45,7 NaNO3 при 225°), хлористый калий (734°) и хлористый натрий (772°). Температуры кипения определенных соединений зависят от давления атмосферы, в среднем они повышаются примерно на 0,03° С на каждый миллиметр барометрического столба. Зато разности температур в разных местах Т. нетрудно довести до очень малой величины, придавая ему конструкцию с двойными стенками, наподобие известного сосуда для определения точки кипения термометров. Чтобы жидкость не терялась, к Т. присоединяют холодильник, из которого сгустившиеся пары стекают обратно в кипятильник. Кроме воды, рекомендуют бензол (80,36°), толуол (110°), ксилол (132,8°), нафталин (216,5°), анилин (182,5°), серу (445°), цинк (930°). Смеси различных близких по составу углеводородов нефти очень трудно разделить перегонкою, поэтому такие смеси можно с успехом употреблять для получения температур промежуточных между их точками кипения. Можно заставить жидкость кипеть и при иной постоянной температуре, повышая или понижая искусственно давление на ее поверхности, но этот прием для устройства Т. неудобен, так как поддерживать искусственно постоянство давления трудно. Механические, самодвижущие Т. применяются обыкновенно к приборам, нагреваемым газом или гальваническим током; к ним применяются те же общие соображения, что и к регуляторам движения (см.). Но для регуляторов температуры большая теплоемкость самого прибора служит как бы маховиком и сглаживает влияние периодических колебаний притока тепла: величина пламени не остается постоянной; она периодически возрастает и убывает под влиянием регулятора, но величины колебаний и продолжительность горения наибольшего и наименьшего пламени изменяется сообразно потере тепла нагреваемым телом. Поэтому средняя температура Т. или показания термометра, неподвижно установленного в определенном месте внутри этого прибора, может поддерживаться в течение многих дней (с колебаниями, не превышающими 0,1° при невысоких температурах), но в разных частях согреваемого тела можно ожидать гораздо большие разности, так как термометрический резервуар Т. поддерживает непосредственно лишь свою собственную температуру. Первый Т. для газа был устроен Бунзеном, Т. Рейхерта, Шлезинга, электромагнитный и д'Арсонваля описаны уже в ст. Лаборатория (см.). С тех пор придумано многих новых конструкций. Для надобностей термохимии Оствальд придал Т. для газового топлива конструкцию, изображенную на табл. фиг. 1 (прибл. на 1/4 нат. вел.). В средней трубке налита ртуть, слева присоединен термометрический сосуд, а справа входит и выходит светильный газ для горелки, в направлении, показанном стрелками. Сначала Т. нагревают при открытом кране, пока не будет достигнута назначенная температура, только тогда кран закрывают и регулятор начинает действовать. Чтобы газ не погас, когда ртуть поднимется до прикосновения с отверстием входной трубки, между нею и выходною трубкою делают соединительную ветвь из каучуковой трубки с винтовым зажимом, который регулируют так, как того требует заданная температура Т.; положение входной трубки в ее каучуковом колпачке, допускающем продольное передвижение, регулируют пробами сообразно желаемой чувствительности. Фиг. 2 изображает общий вид Т. Оствальда, с мешалкою, приводимою в движение винтовою вертушкою, на которую действует струя воздуха от подставляемой горелки. Для непродолжительного срока, в течение которого нельзя ожидать значительных изменений барометрического давления, выбирают воздух или другой газ для термометрического тела, так как прибор становится чувствительнее, чем при жидкостях. Для поддерживания постоянной температуры в течение многих суток берут 10% раствор хлористого кальция в воде или быстрее расширяющийся толуол. Но форма сосуда должна быть такова, чтобы тепло передавалось ему возможно быстро и чтобы он был ближе к источнику тепла и подверженным охлаждению стенкам Т., чем нагреваемое тело и контролирующий термометр. Наибольшую чувствительность Т. Оствальда получает, когда термометрический сосуд наполнен жидкостью, кипящею при заданной температуре (фиг. 3): упругость паров очень быстро возрастает, когда температура, повышаясь, приближается к точке кипения. Этот прием (предложенный в 1878 г. Andreae) применяется очень часто в Т. для бактериологических опытов, где приходится поддерживать в течение многих дней в приборах вроде сушильных шкапиков (см. Лаборатория, табл. II, 23, 24) температуры, немного превышающие комнатные. В этих случаях самый регулирующий прибор делают металлическим, как у д'Арсонваля, с поршнем или каучуковой диафрагмой, приводимыми в движение упругостью пара жидкости, заключенной в термометрическом сосуде и воздействующими на приток газа. Расширение твердых тел тоже часто применяется в Т. Серьезный недостаток происходит от "упругого последействия" (см.), особенно значительного при высоких температурах: под влиянием даже небольшого напряжения, необходимого для передвижения органа, реагирующего на источник тепла, нагретое тело мало-помалу изменяет свою форму, и регулировка нарушается. Поэтому спиралью или дугою из двух металлов, различно расширяющихся, спаянных как в известном термометре Брегета, пользуются лишь для грубых Т.: их применяли, напр., чтобы устроить механизм, закрывающий газовый кран, когда горелка почему-либо потухнет. Т., регулирующий температуру железного сосуда с расплавленным свинцом при 570° с изменениями лишь в 0,5° С в неделю, устроил М. Боденштейн: к верхнему краю сосуда укреплен рычаг, на который действует снизу, вблизи точки опоры, фарфоровый стержень, упирающийся на дно. Параллельно рычагу к тому же сосуду прикреплена неподвижно крепкая горизонтальная железная ветвь, на конце которой помощью микрометренного винта можно установить регулятор, подобный Оствальдову. Но для увеличения чувствительности колено его, где проходит светильный газ, взято узким, а другое очень широко и содержит поплавок, заполняющей почти все его поперечное сечение, так что ртуть занимает лишь узкое, кольцеобразное пространство. На верхний конец этого поплавка давит оконечность рычага Т., всякое изменение положения поплавка вызовет такое же изменение уровня ртути в обоих коленах, но во столько раз большее, во сколько поверхность сечения поплавка больше поверхности сечения регулятора, заполненного ртутью в обоих коленах. Гальванический ток легко применить к Т.: ртуть, поднявшись до назначенной высоты в термометрическом сосуде, или брегетовская спираль может замыкать ток, воздействующий на источник тепла через посредство электромагнитов. Однако через это приборы напрасно усложняются и не получили поэтому распространения в лабораториях. Напротив того, повсеместное применение сильных токов дало возможность в настоящее время пользоваться ими как источником тепла в Т. Регулятор наподобие Оствальдова, с термометрическим сосудом, наполненным ртутью, вместо действия на приток газа замыкает побочную ветвь, когда температура перейдет назначенную величину, уменьшая этим силу тока и приток тепла в главной ветви, согревающей Т., и обратно. В берлинском правительственном физическом учреждении пользуются для сравнения термометров при высоких температурах Т. с электрическим нагреванием. Ток настолько постоянен, что одним прерыванием от руки легко поддерживать много минут сряду постоянную температуру с точностью до 0,01° С. Еще большую точность, до 0,0002° С, для температур, мало отличающихся от комнатной, достиг Гуи (J. de Phys. 3, VI, 479). Резервуар со спиртом его прибора имеет объем 225 куб. стм и замкнут ртутью, как у Оствальда. Но трение и сжимаемость спирта и стенок не позволяют концу ртутного столбика следить за очень малыми изменениями объема; поэтому Гуи сделал подвижною платиновую проволоку, замыкающую ток при поднятии этого столбика: механизм, приводящий в движение мешалку Т., сообщает ей вертикальное колебательное движение, с периодом в 20 сек., проволока погружается в ртуть, сначала приподнимает ее, а затем ртуть отстает; в зависимости от стояния ее уровня меняется продолжительность замыкания тока, действующего непосредственно на реле, замыкающее, в свою очередь, цепь аккумуляторов, служащую для подогревания ванны Т.

Термостат в бактериологической практике употребляется для культивирования микроорганизмов при вполне определенных и постоянных температурах. В настоящее время известны микроорганизмы, которые могут развиваться лишь при сравнительно высоких температурах (см. Термофильные бактерии), другие при температуре человеческого тела (что особенно касается некоторых патогенных бактерий), наконец, третьи образуют споры только при известной температуре — для культивирования всех подобных организмов Т. является необходимым аппаратом. Наиболее простой Т. представляет собой металлический (цинковый или медный) ящик на ножках (ф. 4), верх, дно и три стенки которого двойные, а пустое пространство между ними (шириною в 2—4 ст.) наполнено водой. Передняя стенка снабжена дверцами (двойными или простыми). В отверстия верхней стенки вставляются термометры таким образом, чтобы ртутный шарик был внутри Т., а столб ртути находился бы снаружи. Сверху и с боков Т. покрыт для уменьшения потери теплоты войлоком или листами асбеста, внутри Т. находится несколько полок для культур, нагревается он газовой горелкой, а для регулирования пламени служат особые терморегуляторы (см.). По этому плану построено очень много Т., отличающихся друг от друга величиной и отделкой. Другого рода Т., соединенный с терморегулятором, построен Ру (Roux). Т. этого рода представляет собой деревянный шкаф (ф. 5) вышиной 1 м 30 стм — шириной 70 стм и глубиной в 40 стм, передняя стенка такого шкафа служит дверцами, внутри шкафа устроены полки для культур, а вдоль стенок шкафа идут вертикально поставленные в недалеком друг от друга расстоянии медные трубки. В эти трубки собираются продукты горения газовых горелок, прикрепленных под шкафом, и отсюда выводятся наружу; внутри Т. помещается термометр, и так как передняя стенка стеклянная, то весьма легко можно следить за поднятием и опусканием ртути, не открывая дверец Т. Для урегулирования температуры Roux построил специальный терморегулятор (ф. 6), состоящий из двух металлических пластинок — цинковой и стальной, спаянных вместе и изогнутых U (R). Левая ветвь изогнутой пластинки укреплена неподвижно, а правая может изменять свое положение в зависимости от температуры. Посредством особого стержня (S) она передает свои движения поршню, открывающему или запирающему доступ газа к горелкам. При помощи винта (N) поршень можно укорачивать или удлинять, в зависимости от чего он и будет закрывать доступ газа при различных температурах. Когда температура поднимается в Т., подвижная ветвь U вытягивается и передвигает вместе с прикрепленным к ней стержнем поршень, а вследствие этого уменьшается приток к горелкам газа, температура внутри Т. падает, происходит обратное движение поршня и стержня, — приток газа снова увеличивается. Третья система Т. принадлежит Д'Арсонвалю. Его Т. (ф. 7) состоит из вставленных один в другой двух металлических цилиндроконических сосудов, между которыми находится пустое пространство, заполняемое водой. Боковая стенка наружного сосуда снабжена трубкой (7), в которую вставлена запирающая ее каучуковая пластинка (2); по другую сторону этой пластинки находятся две трубочки. По одной (4) из них газ притекает внутрь металлической коробочки, запертой со стороны Т. каучуковой пластинкой, а по другой (5) газ направляется к горелкам (6). Когда хотят установить Т. на определенной температуре, то наполняют пустое пространство между двумя сосудами водой до верху, и, не закрывая верхнего (3) отверстия с термометром, подогревают Т. при помощи горелок, наблюдая все время за температурой. От нагревания часть воды выходит через верхнее отверстие из Т., и, когда термометр покажет нужную температуру, тогда только это отверстие плотно закрывают каучуковой пробкой со вставленным в нее термометром. Расширяющаяся вода давит на каучуковую пластинку и последняя, прикрывая отверстие для притока газа, уменьшает пламя, температура падает, пластинка снова приходит в прежнее положение и т. д. Т. подобного рода в последнее время были несколько видоизменены и сделаны более удобными через устройство боковых дверец; каучуковая пластинка, довольно скоро портящаяся, заменяется иногда металлической. В больших лабораториях, где это позволяет место и где приходится иметь дело с большим количеством культур, устраивают комнаты-Т. (вышиною, напр., до 230 стм при ширине и глубине в 120 стм); в такую комнату можно совершенно свободно входить и там работать. В некоторых случаях, в особенности при изучении споруляции у дрожжей, необходимо иметь в одно и то же время различные температуры, так что приходилось бы иметь целую серию Т., установленных на различных температурах. С целью иметь Т. с целым рядом температур, начиная от 0° до 40°, Panum построил особый Т., вполне удовлетворяющий этому требованию. Его Т. (фиг. 8) состоит из 3 отделений А, В—С и D, что сделано для того, чтобы отделения А и D, скорее портящиеся, чем центральное B—С (в свою очередь разделенное на две части), можно было бы легко вынимать для починки. Каждое из отделений А, В—С и D имеет 63 стм в вышину, ширину и глубину. Первое отделение А с двойными стенками сделано из луженой меди, пространство между стенками наполняется дистиллированной водой, которую можно нагревать при помощи газовой горелки (а) до желаемой температуры, регулируемой терморегулятором (b), вставленным через особое отверстие в пространство, наполненное водой. Наливается вода через верхнее отверстие (на рисунке не обозначенное), выпускается через отверстие (d"). Следующие два отделения В—С и D сделаны из вылуженной жести и тщательно покрыты суриком, чтобы избежать порчи от влаги. В—С разделены на два отделения В и С, каждое из них в свою очередь разделено на три отделения (3, 4, 5 и 6, 7, 8), в C (f) находится небольшое отверстие для выпуска конденсационной воды. Над третьим отделением D находится ящик, наполненный льдом; вода, образующаяся при таянии льда, удаляется в k через отверстие и трубочку (h—i), над D 9 помещается выдвижной ящик (е) для собирания конденсационной воды. Все три отделении A, В—С и D покрыты толстым войлочным покровом в 8 стм (О) и заключены в деревянный ящик (m); y каждого отделения есть двойные дверцы. Нагревая первое отделение до 40° С, мы в нем и имеем эту температуру, в то же время в отделении 9 температура только несколько выше 0°, а во всех остальных отделениях наблюдаются промежуточные температуры, причем еще в каждом отделении на верхней полке температура выше, чем на низшей. Летом, когда температура в том помещении, где находится Т., довольно высока, тогда вставляют в 10 ящик, наполненный льдом, чем понижают температуру 9. Кроме описанных Т., при изучении истории развития какого-нибудь микроорганизма приходится наблюдать под микроскопом за его развитием при определенной температуре, для этой цели построено несколько особых Т., в которых можно помещать микроскоп и производить таким образом нужные наблюдения. Один из таких Т., построенный Nutall'eм, состоит из металлического шкафа, передняя стенка его стеклянная, а на боковых устроены дверцы для рук наблюдателя, передвигающего препарат, положенный на столик микроскопа. Как видно из рисунка (ф. 9), внутрь такого Т. помещается микроскоп, причем винт его остается снаружи, пропущенный в специально сделанное для этого отверстие. Ящик подогревается газовой горелкой, причем пламя регулируется при помощи терморегулятора (см.). Колебания температуры при открывании и закрывании боковых дверец доходят до 2°, и поэтому практичнее работать с открытыми дверцами, установив Т. при желаемой температуре. В последнее время входят в практику Т., нагреваемые при помощи электричества.