هیدرومتر چیست و در چه مورادی از هیدرومتر استفاده می‌کنند؟

آيا تا به حال جرم مواد را با هم مقایسه کرده‌اید؟

آيا تا به حال از خود پرسیده‌اید که شیر سنگین‌تر است يا آب؟

مردم گاهي می‌گویند سرب سنگین‌تر از پَر است. اما يک گونی بزرگ پُر از پَر، سنگین‌تر از یک ساچمه سربی است. بنابراین پرسش “سرب سنگین‌تر است یا پَر؟” سوال صحیح و دقیقی نیست.

ویژگی‌ای به نام چگالی یا جرم حجمی وجود دارد که از مشخصه‌های فیزیکی مواد به حساب می‌آید. چگالی در واقع مقدار جرم موجود در واحد حجم است و مستقل از ابعاد ماده است. بنابراین بیان صحیح و دقیق آن است که بگوییم چگالی سرب بیشتر از چگالی پَر است.

چگالی را با علامت اختصاری ρ نشان می‌دهند که از رابطه ρ=m/v بدست می‌آید. در این رابطه ρ چگالی ماده، ‌m جرم جسم و v حجم ماده می‌باشد.

هیدرومتر که با نام آب‌سنج و چگالی‌سنج نیز شناخته می‌شود، تجهیزی است که به کمک آن میتوان چگالی نسبی سیالات مختلف را اندازه‌گیری کرد.

در این مقاله قصد داریم تا ابتدا شما را با اصطلاحات و مقیاس‌های اندازه‌گیری آشنا کرده، سپس اساس کار تجهیز هیدرومتر (hydrometer) را توضیح داده و در نهایت انواع مختلف هیدرومتر را معرفی نماییم. در ادامه با ما همراه باشید.

چگالی چیست و واحدهای اندازه‌گیری چگالی کدامند؟

در اندازه‌گیری چگالی،‌ معمولا جرم را برحسب گرم (g) یا کیلوگرم (kg) و حجم را بر حسب سانتی‌متر مکعب (cm³) یا متر مکعب (m³) بیان می‌کنند که در این صورت چگالی را برحسب واحدهای گرم بر سانتیمتر مکعب (gr/cm³) یا کیلوگرم بر متر مکعب (Kg/m³) می‌سنجند. چگالی نشانگر این است که جرم ماده تا چه حد متراکم است. مثلا، سرب یک ماده چگال است، زیرا مقدار زیادی از آن در حجم کوچکی متراکم شده، از طرف دیگر چگالی هوا بسیار کم است. هسته اتم‌های تشکیل‌دهنده مواد و ستارگانی مثل ستاره‌های نوترونی، ابر نواختران، سیاه چاله‌ها و … از جمله‌ی چگال‌ترین مواد هستند.

چگالی را چطور اندازه می‌گیرند؟

برای اندازه‌گیری چگالی یک جسم، باید جرم (m) و حجم (v) آن را اندازه‌گیری کنیم. جرم را می‌توانیم با ترازو اندازه‌گیری کنیم. حجم یک جسم جامد را می‌توانیم با راه‌های گوناگون اندازه بگیریم. مثلا برای به‌دست‌آوردن حجم یک مکعب، اندازه یک ضلع آن را به توان 3 می‌رسانیم و یا برای تعیین حجم یک مکعب مستطیل، طول و عرض و ارتفاع آن را در هم ضرب می‌کنیم. حجم یک مایع را می‌توانیم با ظرف شفاف مدرجی که واحدهای حجم را نشان می‌دهد، اندازه بگیریم. در آزمایشگاه معمولا برای اندازه‌گیری حجم مایعات از استوانه مدرج استفاده می‎کنند. در مواردی به وسیله اندازه‌گیری جرم نسبی مواد نسبت به هم، یا از طریق اندازه‌گیری چگالی نسبی مواد نسبت به هم، می‌توانیم چگالی تک تک مواد را اندازه‌گیری نموده و مشخص نماییم.

نکته‎‌ی مهمی که توجه به آن ضروری است، آن است که تغییرات دما سبب تغییر حجم جسم می‌شود. بنابراین با تغییر دما چگالی یک ماده تغییر می‌کند. از این‌رو چگالی اغلب مواد را در دمای C°ء25 اندازه‌گیری می‌کنند.

چگالی نسبی

مقایسه چگالی دو مایع با یکدیگر یا مقایسه چگالی یک جسم جامد با یک مایع خیلی راحت است. اگر چگالی جسمی کمتر از مایع باشد، در آن شناور می‌شود و در غیر این‌صورت در آن غرق می‌گردد. مثلا چگالی چوب از آب کمتر است و برای همین است که چوب روی آب شناور می‌ماند.

وزن مخصوص (Specific Gravity)ء(S.G)

وزن مخصوص نسبت چگالی یک ماده به چگالی یک ماده‌ی مرجع است. معمولا از آب به عنوان ماده‌ی مرجع برای اندازه‌گیری وزن مخصوص یک مایع استفاده می‌کنند. از آنجایی که وزن مخصوص از تقسیم چگالی 2 ماده بدست می‌آید، بنابراین بدون واحد است.

چنانچه در تعیین وزن مخصوص از آب به عنوان ماده‌ی مرجع استفاده کرده باشند، موادی که وزن مخصوص بیشتر از 1 داشته باشند، چگالی بیشتری نسبت به آب دارند و آنهایی که وزن مخصوص کمتر از 1 داشته باشند، دارای چگالی کمتری نسبت به آب هستند.

وزن مخصوص از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید.

چگالی آب در دمای 4 درجه‌ی سانتیگراد، برابر با  kg/m³ء1000 است.

انواع مقیاس‌های چگالی

هیدرومترهای جدید معمولا طوری طراحی می‌شوند که وزن مخصوص مایع را اندازه‌گیری کنند. اما درجه‌بندی‌های متفاوتی نیز وجود دارند که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال در صنعت نفت خام عمدتا از مقیاس API استفاده می‌شود.

مقیاس کارتیه

مقیاس کارتیه در سال 1771 و برای تست و آزمایش لیکور تعریف شد. هم اکنون استفاده از مقیاس کارتیه در مبادلات تجاری ممنوع می‌باشد.

مقیاس گی لوساک (Gay lussac)

 در سال 1824 این مقیاس اندازه‌گیری جایگزین مقیاس کارتیه شد. این واحد نشان دهنده‌ی میزان الکل در یک مایع است.

مقیاس بومه Baumé

از مقیاس بومه قبلا در شیمی صنعتی و داروسازی استفاده می‌شد. برای بدست آوردن حجم بر اساس مقیاس بومه، از فرمول‌های زیر استفاده می‌شود.

در مواردی که مایع سبک‌تر از آب (g/mlء1) است داریم:

در مواردی که مایع سنگین‌تر از آب باشد از فرمول زیر استفاده می‌شود:

برای مثال برای مایع سنگین‌تر از آب با چگالی 1.260 در 60 درجه فارنهایت داریم:

مقیاس‌های بالینگ و بریکس

بالینگ در سال 1843 ساکارومترها را برای اندازه‌گیری میزان قند موجود در آب میوه بهبود بخشید. یک درجه بالینگ مطابق با یک گرم شکر در صد گرم مایع است. مقیاس بالینگ دارای یک درصد خطای بسیار ناچیز می‌باشد که بعدها توسط بریکس اصلاح شد. مقیاس بریکس می‌تواند در 60 درجه فارنهایت یا 68 درجه فارنهایت کالیبره شود.

مقیاس اچله (Oechsle)

تعیین محتویاتِ شکرِ عصاره انگور تخمیر نشده و یا در حال تخمیر (برای شراب) که از طریق فرمول زیر محاسبه می‌گردد:

مقیاس توادل (Twaddle degree)

این مقیاس نمایانگر میزان شکر در مایع مورد استفاده می‌باشد و از طریق فرمول ذیل محاسبه می‌گردد:

مقیاس API

 مقیاس API بر اساس فرمول ذیل محاسبه می‌گردد:

هیدرومتر چیست؟

هیدرومتر وسیله‌ای است که معمولا از جنس شیشه ساخته شده و برای تعیین وزن مخصوص مایعات (چگالی مایعات) استفاده می‌شود. هیدرومتر دارای یک ساقه استوانه‌ای شکل و یک بالون است که با جیوه یا گلوله‌های سربی سنگین شده تا به صورت مستقیم و رو به بالا شناور بماند. برای تعیین چگالی مایع مورد نظر، ابتدا مایع را درون ظرف بلندی ریخته و هیدرومتر را طوری در داخل آن قرار می‌دهیم که به صورت آزادانه شناور باشد. محلی که سطح مایع هیدرومتر را قطع می‌کند، یادداشت‌برداری می‌شود.

معمولا داخل ساقه هیدرومترها، یک درجه کاغذی قرار دارد که با کمک آن وزن مخصوص را می‌توان به صورت مستقیم خواند.

هیدرومتر در مایعات سبک (مثل کروزن، بنزین و الکل)، نسبت به مایعات سنگین (مثل شیر، آب نمک و اسیدها)، تا عمق بیشتری فرو می‌رود. بنابراین باید دو وسیله جداگانه داشته باشیم. یکی برای مایعات سنگین و یکی برای مایعات سبک.

در بسیاری از صنایع از هیدرومترهای متعددی استفاده می‌شود که علت آن افزایش دقت در تعیین چگالی است. مثلاً یک هیدرومتر برای محدوده 0/95-1 و یک هیدرومتر برای محدوده 0/90-0/95 و … .

برای اندازه‌گیری چگالی مشتقات نفتی سنگین مانند روغن‌های سوخت، معمولا نمونه را درون ظرفی که دارای دماسنج است، گرم می‌کنند. مشتقات نفتی سبک درون مخزن سرد کننده قرار می‌گیرند (معمولا در دمای C°ء15). مشتقات نفتی خیلی سبک که دارای مقادیر زیادی مواد فرار هستند، درون ظرف‌هایی با حجم متغیر که دارای پیستونی شناور برای نمونه‌گیری است، قرار می‌گیرند تا کاهش وزن آن‌ها را به حداقل برسانند.

برخی از هیدرومترها، دارای یک دماسنج نیز هستند. به این نوع از هیدرومترها، ترموهیدرومتر (Thermohydrometer) می‌گویند.

کاربردهای هیدرومتر در صنعت

به دلیل اینکه ارزش تجاری بسیاری از مایعات (مثل محلول‌های شکر، شربت‌ها، اسید سولفوریک و …) بستگی مستقیم به وزن مخصوص آن‌ها دارد، هیدرومترها به‌طور وسیع در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در ادامه برخی از هیدرومترهای پر کاربرد را به شما معرفی خواهیم کرد:

شیرسنج (Lactometer)

شیرسنج نوعی از هیدرومتر است که برای آزمایش شیر استفاده می‌شود. برای تعیین دقیق ترکیبات شیر، تنها بدست آوردن وزن مخصوص شیر کافی نیست. زیرا شیر حاوی مواد مختلفی است که بعضی سبک‌تر و بعضی سنگین‌تر از آب هستند. به همین علت به منظور تعیین میزان چربی شیر، لازم است تا تمام ترکیبات شیر مشخص شود.

الکل سنج (Alcoholometer)

الکل سنج یک از انواع هیدرومتر است که برای تعیین میزان الکل موجود در مایعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقیاس این هیدرومترها، تراله و پروف می‌باشد.

• مقیاس تراله مستقیما نشان‌دهنده درصد وزنی اتیل الکل موجود در آب است (%100-0)
• مقیاس پروف نشان‌دهنده خلوص الکل از 0 تا 200 است.

قندسنج (Saccharometer)

نوع دیگری از هیدرومتر، قندسنج یا ساکاریمتر نام دارد که برای تعیین میزان قند موجود در یک محلول (به صورت درصد وزنی یا جرم قند) به کار می‌رود. هرچقدر میزان قند در محلول بیشتر باشد، هیدرومتر در سطح بالاتری شناور می‌شود.

هیدرومترهای وزن مخصوص (Specific Gravity Hydrometer)

هیدرومترهای وزن مخصوص، چگالی نمونه را نسبت به چگالی آب خالص در همان دما می‌سنجند. با کمک این هیدرومترها می‌توان به راحتی چگالی مایع مورد آزمایش را تعیین نمود.

هیدرومترهای .A.P.I

انجمن نفت امریکا، اداره معادن ایالات متحده، انجمن ملی استانداردها و تکنولوژی، مقیاس .A.P.I را در سال 1921 به عنوان استانداردی برای محصولات نفتی در ایالات متحده انتخاب نمودند. مقیاس .A.P.I از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید.

هیدرومترهای بومه

مقیاس بومه، مقیاسی است که در سال 1768 و توسط شیمیدان فرانسوی به نام آنتونی بومه پیشنهاد شد. از این مقیاس به‌منظور سنجش چگالی انواع مختلفی از مایعات استفاده می‌شود. مقیاس بومه از 2 فرمول جهت بدست آوردن چگالی مایعات استفاده می‌کند. یکی از این فرمول‌ها جهت بدست‌آوردن چگالی مایعات سبکتر از آب و دیگری برای بدست‌آوردن چگالی مایعات سنگین‌تر از آب مورد استفاده قرار می‌گیرد.

امروز هنوز هم از مقیاس بومه در صنایع مختلفی مانند آبجو سازی، تهیه‌ی قند از چغندر قند، صنعت نشاسته‌سازی و شراب‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جهت تبدیل واحد بومه به وزن مخصوص، برای مایعات سنگین‌تر از آب داریم:

جهت تبدیل واحد بومه به وزن مخصوص، برای مایعات سبکتر از آب داریم:

به هیدرومترهایی که از مقیاس بومه استفاده می‌کنند، هیدرومترهای بومه و یا بومه‌سنج می‌گویند.

هیدرومترهای بریکس (Brix)

مقیاس بریکس بیشتر به صورت اختصاصی توسط صنعت شکر استفاده شده است. عددهای این مقیاس برابر با درصد وزنی ساکاروز در دمای استاندارد هستند.

از این مقیاس برای نشان‌دادن درصد وزنی جامدات حل شده نیز استفاده می‌شود.

هیدرومترهای پروپیلن گلیکول

این هیدرومترها یک وسیله با مقیاس‌های دوتایی هستند که وزن مخصوص و درصد وزنی پروپیلن گلیکول را نشان می‌دهند.

هیدرومترهای آب نمک (Salt-Brine Hydrometer)

از هیدرومترهای آب نمک برای تعیین میزان اشباع نمک در آب استفاده می‌شود.

هیدرومترهای توادل (Twaddle Hydrometer)

مقیاس توادل نتیجه تلاش برای ساده‌ترکردن سنجش مایعات صنعتی سنگین‌تر از آب است. محدوده وزن مخصوص بین 1 تا 2 به 200 قسمت مساوی تقسیم می‌شود. بنابراین 1 درجه توادل برابر با 0/005 وزن مخصوص است.

هیدرومتر خاک

 از هیدرومتر خاک می‌توان در جهت تعیین بافت خاک استفاده کرد. برای مثال می‌توان برای تعیین درصد شن و رس و سلیت خاک از این هیدرومتر کمک گرفت.