Měření s domácím teploměrem

Klíčové pojmy
Teplota
Měření
Tepelná roztažnost

Úvod
Toužíte někdy pochopit, jak věci fungují? Nebo se těšíte na to, že si sami vyrobíte užitečné předměty a přístroje? Napadlo vás někdy, že byste si mohli sestrojit vlastní kapalinový teploměr? Budete s ním moci sledovat, jak se mění teplota v závislosti na místě – uvnitř nebo venku. Co se ukáže jako nejteplejší místo ve vašem domě? A co to nejchladnější? Váš vlastní podomácku vyrobený teploměr vám to dokáže říct!

Pozadí
Teploměry naplněné kapalinou se k měření teploty používají již po staletí. Skládají se z nádržky naplněné kapalinou na konci úzké trubice. Pokud se teplota kapaliny v zásobníku zvýší, kapalina se rozpíná a stoupá do úzké trubice. Když se kapalina ochladí, smrští se a kapalina v trubici klesne na nižší úroveň. Proto vysoká hladina kapaliny v trubici znamená vyšší teplotu a nízká hladina znamená nižší teplotu. Při kalibraci teploměru se na vnější straně trubice vyznačí specifické teploty odpovídající hladinám kapaliny v úzké trubici. Nyní již chápete, jak kapalinový teploměr funguje, ale proč funguje?“

Vědci označují tendenci hmoty měnit objem v důsledku změny teploty jako „tepelnou roztažnost a smršťování“. Plyny se prudce rozpínají a smršťují. Kapaliny se také rozpínají a smršťují, ale jejich změna objemu je mírnější. Dokonce i pevné látky mění při zahřívání nebo ochlazování svůj objem. Například mosty jsou v horkém dni o něco delší. Změna objemu pevných látek je však příliš jemná na to, aby fungovala v běžném teploměru. Nyní, když jste pochopili více o kapalinových teploměrech, je čas začít jeden skutečně vyrábět!“

Materiály

• Čiré plastové brčko na pití
• Pravítko
• Permanentní fix s jemným hrotem
• Malá plastová lahvička s úzkým hrdlem a víčkem (Dobře fungují malé lahvičky, například na léky, potravinářská barviva nebo vanilkový extrakt.)
• Voda
• Potírací líh (Pracujte v dobře větrané místnosti a nenechávejte lahvičku s potíracím lihem odkrytou.)
• Několik kapek nebo červeného, modrého nebo zeleného potravinářského barviva (Nejlépe funguje tekuté potravinářské barvivo.)
• Papírové utěrky
• Modelovací hlína
• Medicínské kapátko nebo injekční stříkačka
• Malá miska
• Horká voda
• Kostky ledu
• Uložení-zakoupený teploměr (volitelný)

Příprava

• Malou vyprázdněte a umyjte, plastovou láhev.
• Průhledné brčko na pití se stane úzkou trubičkou teploměru. Permanentním fixem udělejte na brčko malé značky od shora dolů v půlcentimetrových intervalech. Tyto značky budou sloužit jako vodováhy na teploměru.
• Modelovací hlína utěsní hrdlo láhve a udrží brčko na místě. Hlínu tvarujte tak dlouho, dokud nebude měkká a pružná; pak z ní vytvarujte kuličku a zatlačte ji do roviny. Tento kulatý plochý kus hlíny by měl být větší než hrdlo vaší láhve. Do středu tohoto kulatého kousku hlíny prorazte brčkem otvor, který bude dostatečně velký na to, aby jím brčko prošlo. Odstraňte veškerou hlínu, která ucpává brčko.

Postup

• Doplňte láhev alkoholem a naplňte ji asi do poloviny. (Láhev s lihem ihned znovu uzavřete, abyste minimalizovali působení výparů a odpařování.)
• Do lihu přidejte několik kapek potravinářského barviva, láhev uzavřete a protřepejte, aby se tekutiny dobře promíchaly. Proč je podle vás důležité kapalinu obarvit?
• Naplňte kapátko na léky nebo injekční stříkačku obarveným alkoholem. Kapátko na léky nebo injekční stříkačku opatrně odložte stranou, nejlépe na papírovou utěrku pro případ, že by tekutina vytekla. V případě, že hladina kapaliny v lahvičce klesla pod jednu čtvrtinu, přidejte do lahvičky ještě trochu alkoholu, aby hladina byla v jedné čtvrtině až polovině lahvičky.
• Prostrčte brčko otvorem v modelovací hlíně a umístěte hlínu na hrdlo lahvičky tak, aby brčko viselo v lahvičce. Upravte brčko tak, aby byl jeho konec ponořený v tekutině, ale nedotýkal se dna láhve. Většina brčka bude z láhve vyčnívat. Proč si myslíte, že by se brčko nemělo dotýkat dna láhve?
• Modelovací hmotu použijte k utěsnění otvoru láhve a k přidržení brčka na místě. Důležité: Ujistěte se, že hlína tvoří těsné těsnění kolem brčka a nad ústím láhve, ale neuzavírejte otvor brčka. Do láhve by neměl pronikat vzduch. Napadá vás důvod, proč je to tak důležité?
• Kápněte obsah léku z kapátka nebo stříkačky – kapku po kapce – do brčka. Co se stane? Stoupá tato tekutina brčkem vzhůru a zůstává tam?“
• Protože z lahvičky nemůže proudit žádný vzduch, tlak vzduchu uvnitř udržuje hladinu tekutiny konstantní a v brčku se může vytvořit sloupec tekutiny. Tekutina stékající brčkem do zásobníku znamená poruchu těsnění v horní části láhve. Pokud k tomu dojde, zkontrolujte, zda hlína tvoří vzduchotěsné těsnění v hrdle láhve a kolem brčka, a zkuste to znovu.
• Hladina kapaliny ve sloupci by měla dosahovat přibližně do poloviny viditelné části brčka. V případě potřeby přidejte pomocí kapátka nebo injekční stříkačky do brčka další alkohol (tentokrát bez barvy).
• Sledujte hladinu tekutiny v brčku. Tato hladina udává pokojovou teplotu. Permanentním fixem si na brčko nakresli malý symbol označující tuto hladinu tekutiny.
• Chceš-li domácí teploměr vyzkoušet, podrž ruce kolem dna láhve a pozoruj, co se děje. Buďte trpěliví, může chvíli trvat, než se tekutina v zásobníku přizpůsobí nové situaci. Mění se hladina tekutiny v brčku? Mění se hodně, nebo jen málo? Proč si myslíte, že k tomu dochází?
• Jak moc se změní hladina kapaliny, když nádržku výrazně zahřejete? Do malé misky nalijte trochu středně teplé vody z vodovodu a do vody umístěte zásobník teploměru. Dejte teploměru trochu času na práci. Jak se změní hladina kapaliny v brčku? Změnila se více, než když jste láhev zahřívali rukama? Nezapomeňte dávat dobrý pozor a vyjměte teploměr z vodní lázně, pokud tekutina stoupne na úroveň blízkou hornímu okraji brčka. Co myslíte, že by mohlo způsobit, že by tekutina vytékala přes okraj brčka? Co byste mohli na teploměru změnit, aby k tomu nedocházelo?
• Co se podle tebe stane, když se nádržka ochladí na teplotu nižší, než je pokojová teplota?
• Vyměň středně horkou vodu v misce za studenou. Přidejte do vody kostky ledu, aby se voda ochladila na 0 stupňů Celsia (32 stupňů Fahrenheita). Umístěte zásobník teploměru do ledové vody a nechte teploměr přizpůsobit se nové situaci. Co se stane? Je to podobné nebo jiné, než jste očekávali? Mohlo by vám toto měření pomoci doplnit stupnici teploměru?
• Vezměte teploměr na prohlídku svého domu nebo dvora. Nezapomeňte mu dát čas, aby reagoval na každé nové prostředí, přičemž mějte na paměti, že nemusí být patrné rozdíly, pokud je teplota na různých místech relativně podobná. Tip: Vyhledejte místa s přímým slunečním světlem, abyste naměřili vyšší teplotu. Je jedno místo nejteplejší? A co nejchladnější?
• Extra: Pomocí teploměru zakoupeného v obchodě si vytvořte stupnici na teploměru (říká se jí také „kalibrace“ teploměru). Mohli byste pro snazší kalibraci využít toho, že v tomto teplotním rozsahu se alkohol rozpíná o stejné množství na každý získaný stupeň teploty?
• Extra: Teploměr jste vytvořili s určitou šířkou slámky. Zkuste sestrojit identický teploměr, nyní s užším nebo širším brčkem. Jak očekáváte, že se budou měření lišit? Bude tento nový teploměr ve srovnání s vaším prvním teploměrem přesnější nebo méně přesný?
• Extra: Pro tento teploměr jste použili líh. Zkuste vyrobit identický teploměr, nyní s použitím vody jako kapaliny. Na rozdíl od vody, která mrzne při 0 °C a vře při 100 °C, líh mrzne při -89 °C a vře při 82,5 °C. Kterou kapalinu byste zvolili pro výrobu teploměru k měření teploty v mrazáku? A co v kuchyni, když chcete něco uvařit na sporáku?

Pozorování a výsledky
Viděl jsi, že teplota kapaliny stoupá, když jsi zásobník zahříval, a klesá, když jsi ho ochlazoval?

Při zvyšování teploty kapaliny v zásobníku se kapalina rozpíná a jediné místo, kam se může dostat, je úzká trubička. Pokud teplota kapaliny klesá, smršťuje se, a tím umožňuje, aby se v zásobníku shromáždilo více kapaliny. Hladina v úzké trubici pak klesne zpět na nižší úroveň. Po sestrojení teploměru odpovídá každá hladina v úzké trubici přesně jednomu objemu kapaliny, a tedy přesně jedné teplotě.

S užší trubicí (slámkou) je teploměr přesnější, protože stejná roztažnost nebo smrštění kapaliny způsobí vzestup nebo pokles na delší vzdálenost. Jako nevýhodu lze uvést, že úzké brčko může snížit maximální teplotu, které teploměr dosáhne.

Zásobník teploměru lze naplnit různými kapalinami. Při výběru kapaliny pro kapalinový teploměr je třeba vzít v úvahu, jak moc se kapalina rozpíná při každém získaném stupni teploty a také její bod tuhnutí a varu.

Čištění
Chcete-li zlikvidovat líh v teploměru, vylijte líh do dřezu s velkým množstvím tekoucí vody. Dobře spláchněte, aby v potrubí nezůstal žádný alkohol.

Další informace k prozkoumání
Termická expanze, od Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, od Science Buddies
Termometr, od PBS Kids

Tuto aktivitu vám přinášíme ve spolupráci s Science Buddies

.