Un manómetro de mercurio es un tipo de manómetro que utiliza mercurio como fluido de trabajo. La forma más básica de este instrumento es un tubo de vidrio en forma de U lleno de mercurio. Las versiones más complejas se ocupan de presiones muy altas o tienen mejores medios para llenarse con mercurio.
El instrumento consiste en un tubo de vidrio en forma de U lleno hasta la mitad con mercurio. Un extremo está conectado al recipiente cuya presión se está midiendo. El otro puede dejarse abierto o sellado. Si se deja abierto, la presión medida es relativa a la presión del aire, que es variable. Si está sellado, la presión medida es la presión absoluta . El tubo se sella durante la fabricación y el extremo sellado contiene el vacío. [1] El mercurio es un material útil para usar en un manómetro debido a su alta densidad . Esto significa que se necesita una columna mucho más corta en comparación con el agua. [2] Por ejemplo, la presión representada por una columna de 100 mm de agua es un poco menos de 7,4 mm de mercurio ( mmHg ). [3]
La presión se determina midiendo la diferencia de altura entre la columna de referencia y la columna conectada al elemento bajo prueba. Por lo general, se proporcionan marcas de calibración para ayudar en esta medición y en los laboratorios se puede utilizar un catetómetro para mayor precisión. [4] Cuando se mide la presión relativa, la diferencia puede ser negativa, lo que significa que la presión de prueba está por debajo de la presión de referencia. [5] La ubicuidad de este instrumento llevó a que mmHg se convirtiera en una unidad común de medida de presión. También está relacionado con otra unidad de presión, el torr . El mmHg no es una unidad del SI , pero todavía se encuentra en uso a veces, particularmente en medicina. [6] En unidades del SI, 1 mmHg es aproximadamente 133 Pa . [7]
El llenado inicial de un manómetro sellado con mercurio puede ser problemático. Un método consiste en fundir el vidrio del manómetro en un recipiente con mercurio, bombear el aire y hervir el mercurio. Después de llenarlo, se vuelve a cortar el manómetro. Además, el vacío en el manómetro se deteriora con el tiempo debido a la lenta difusión de los gases a través del mercurio, lo que hace que el dispositivo sea impreciso. [8]
En 1938, Adolph Zimmerli (1886-1967) [9] inventó un manómetro que superó los problemas de llenado, al menos para presiones inferiores a la presión ambiental. [10] El manómetro de Zimmerli consta de tres columnas relativamente anchas. En referencia al diagrama, las columnas del centro y de la derecha funcionan como un manómetro estándar de tubo en U. Además, la parte superior de la columna central está conectada a la parte inferior de la tercera columna de la izquierda con un tubo capilar . La columna central está inicialmente completamente llena de mercurio, al igual que el capilar de conexión. Las otras dos columnas están parcialmente llenas. La parte superior de la columna principal de la derecha y la columna del depósito de la izquierda están conectadas entre sí y a una entrada para medir la presión. Cuando se aplica la presión de prueba, el mercurio sube tanto en la columna izquierda como en la derecha y cae en la columna central. El mercurio en la parte superior del capilar se rompe y se forma un vacío allí. Luego, la presión se mide de la manera habitual por la diferencia entre las alturas de las columnas derecha y central. [11]
Como cada vez que se realiza una medición se forma un nuevo vacío, no hay problema de que el vacío se contamine. Las burbujas que se formen en el capilar se eliminan fácilmente invirtiendo el medidor y agitándolo o dándole golpecitos. [12]
Para presiones extremadamente altas, la columna puede seguir siendo muy alta, incluso cuando se utiliza mercurio. Se han construido manómetros para medir la presión en el rango de 20 a 30 atmósferas estándar (15 000 a 23 000 mmHg). [13] Una columna de mercurio de 23 metros de altura es difícil de leer y sufre de imprecisiones causadas por diferentes partes de la columna que están a diferentes temperaturas. Heike Kamerlingh Onnes , el descubridor de la superconductividad , construyó un manómetro de mercurio más compacto adecuado para alta presión . Este consistía en una serie de tubos en U llenos de mercurio conectados entre sí con tubos en U invertidos. Los tubos en U invertidos contienen aire comprimido a una presión diseñada para llevar el instrumento al rango de presión de interés. La presión se encuentra a partir de este instrumento sumando la diferencia en las alturas de la columna en cada uno de los tubos en U. [14]
El padre de todos los manómetros de mercurio es el barómetro de mercurio inventado por Evangelista Torricelli en 1643. [15] Una de las primeras aplicaciones de ingeniería del manómetro de mercurio fue medir la presión en las calderas de vapor durante la era del vapor. El primer uso en máquinas de vapor lo realizó James Watt mientras desarrollaba la máquina de vapor Watt entre 1763 y 1775. Esta máquina fue un desarrollo de la popular máquina atmosférica Newcomen . [16] Un manómetro para usar en máquinas de vapor muy similar al posterior manómetro Kamerlingh-Onnes fue patentado en 1858 por Thomas Purssglove. Al igual que el dispositivo Kamerlingh-Onnes, tenía múltiples tubos en U conectados en serie. Los tubos de conexión estaban llenos de un fluido incompresible. [17]
Anteriormente, el instrumento se utilizaba ampliamente en la educación, los laboratorios y las mediciones médicas, así como en sus aplicaciones industriales. Sin embargo, la toxicidad del mercurio y el riesgo de derrames, a través de la rotura de los vasos de vidrio, han provocado su declive. También es más fácil interconectar otros tipos de sensores con los sistemas electrónicos. En 1991, ya había sido reemplazado en su mayor parte por otras tecnologías. [18]
Los manómetros de mercurio se utilizan habitualmente como el estándar principal para la presión en los laboratorios de estándares de medición nacionales . [19] Por ejemplo, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en los EE. UU. utiliza un manómetro de tres metros de alto y 225 kg de mercurio. Para mayor precisión, se utilizan ultrasonidos para medir la altura de la columna de mercurio. Sin embargo, en 2019, el manómetro de respaldo fue desmantelado después de estar fuera de servicio durante años. Era tan grande que no se podía quitar por medios normales; se cortó un agujero en el techo para extraerlo. El desmantelamiento fue parte de una medida internacional para dejar de usar mercurio en los laboratorios de estándares por razones ambientales. El NIST eventualmente también sacará de servicio el manómetro de mercurio principal después de que se instale un dispositivo fotónico portátil para reemplazarlo. [20]