Mål op med et hjemmelavet termometer

Nøglebegreber
Temperatur
Måling
Måling
Thermisk ekspansion

Indledning
Er du sommetider ivrig efter at forstå, hvordan ting fungerer? Eller er du begejstret for selv at lave nyttige genstande og instrumenter? Har du nogensinde forestillet dig, at du kunne bygge dit eget væsketermometer? Du vil kunne bruge det til at spore, hvordan temperaturen varierer med stedet – indendørs eller udendørs. Hvad vil vise sig at være det varmeste sted i dit hjem? Hvad med det køligste? Dit helt eget hjemmelavede termometer vil kunne fortælle dig det!

Baggrund
Væskefyldte termometre har i århundreder været brugt til at måle temperaturen. De består af et væskefyldt reservoir for enden af et smalt rør. Hvis temperaturen i væsken i reservoiret stiger, udvider den sig og stiger op i det smalle rør. Når væsken afkøles, trækker den sig sammen, så væsken i røret falder til et lavere niveau. Derfor indikerer et højt væskeniveau i røret en højere temperatur, og et lavt niveau indikerer en lavere temperatur. Ved kalibrering af termometeret markeres de specifikke temperaturer, der svarer til væskeniveauerne i det smalle rør, på ydersiden af røret. Nu forstår du, hvordan et væsketermometer fungerer, men hvorfor fungerer det?

Videnskabsfolk betegner stoffets tendens til at ændre volumen som følge af en temperaturændring som “termisk ekspansion og sammentrækning”. Gasser udvider og trækker sig drastisk sammen. Væsker udvider og trækker sig også sammen, men deres volumenændring er mere moderat. Selv faste stoffer ændrer volumen, når de opvarmes eller afkøles. F.eks. er broer en smule længere på en varm dag. Volumenændringen i faste stoffer er dog for subtil til at kunne bruges i et almindeligt termometer. Nu hvor du forstår mere om væsketermometre, er det tid til at komme i gang med rent faktisk at lave et!

Materialer

• Klar plastik-drikkestrå
• Lineal
• Finspidset permanent tuschpenne
• Engenhalset, lille plastikflaske med låg (Små flasker som dem til medicin, madfarve eller vaniljeekstrakt fungerer godt.)
• Vand
• Rubbing alcohol (Arbejd i et godt ventileret rum, og lad ikke flasken med rubbing alcohol stå utildækket.)
• Et par dråber eller rød, blå eller grøn madfarve (flydende madfarve fungerer bedst.)
• Papirhåndklæder
• Modelleringsler
• Medicindråber eller sprøjte
• Lille skål
• Varmt vand
• Icecubes
• Store-købt termometer (valgfrit)

Forberedelse

• Tøm og vask den lille, plastflaske.
• Det klare sugerør bliver det smalle rør til dit termometer. Brug en permanent tusch til at lave små mærker på sugerøret, fra toppen og nedad, med en halv centimeters mellemrum. Disse mærker vil tjene som vandrette mærker på dit termometer.
• Modelleringslerum forsegler flaskehalsen og holder sugerøret på plads. Form leret, indtil det føles blødt og elastisk; form derefter en kugle, og tryk den flad. Dette runde, flade stykke ler skal være større end din flaskehals. Brug dit sugerør til at stikke et hul i midten af dette runde stykke ler, lige stort nok til at sugerøret kan gå igennem. Fjern eventuelt ler, der tilstopper sugerøret.

Procedure

• Fyld flasken med sprit, så den fyldes ca. halvvejs op. (Luk straks flasken med sprit igen for at minimere eksponeringen for dampe og fordampning.)
• Tilsæt et par dråber madfarve til spriten, luk flasken, og ryst den, så væskerne blandes godt. Hvorfor tror du, at det er vigtigt at farve væsken?
• Fyld en medicindråber eller en sprøjte med den farvede sprit. Sæt forsigtigt medicindråberne eller sprøjten til side, helst på et papirhåndklæde, hvis der skulle løbe væske ud. Hvis væskestanden i din flaske er faldet til under en fjerdedel, skal du tilsætte lidt mere sprit til flasken, så væskestanden er en fjerdedel til halvvejs oppe i flasken.
• Stik sugerøret gennem hullet i dit modelleringslærred, og sæt leret på flaskehalsen, så sugerøret hænger i flasken. Juster sugerøret, så enden er nedsænket i væsken, men ikke rører bunden af flasken. Det meste af sugerøret vil stikke ud af flasken. Hvorfor tror du, at sugerøret ikke må røre bunden af flasken?
• Brug modelleringsleret til at forsegle flaskeåbningen og til at holde sugerøret på plads. Vigtigt: Sørg for, at leret danner en tæt forsegling omkring sugerøret og over flaskeåbningen på flasken, men luk ikke sugerørets åbning til. Luft skal ikke kunne trænge ind i flasken. Kan du komme i tanke om en grund til, hvorfor dette er så vigtigt?
• Dryp indholdet af din medicindråber eller sprøjte – dråbe for dråbe – ned i sugerøret. Hvad sker der? Stiger denne væske op i sugerøret og bliver der?
• Da der ikke kan strømme luft ud af flasken, holder lufttrykket inde i flasken væskeniveauet konstant, og der kan opbygges en væskesøjle i sugerøret. Væske, der løber ned ad sugerøret og ned i reservoiret, er tegn på, at forseglingen i toppen af flasken er brudt. Hvis dette sker, skal du sørge for, at leret danner en lufttæt forsegling ved flaskehalsen og omkring sugerøret, og prøve igen.
• Væskestanden i søjlen skal nå ca. midtvejs op ad den synlige del af sugerøret. Brug om nødvendigt pipetten eller sprøjten til at tilsætte mere alkohol (ufarvet er fint denne gang) til sugerøret.
• Opmærksomheden henledes på væskestanden i sugerøret. Dette niveau angiver stuetemperaturen. Brug den permanente tusch til at lave et lille symbol, der angiver dette væskeniveau, på dit sugerør.
• For at teste det hjemmelavede termometer skal du holde dine hænder rundt om bunden af flasken og observere, hvad der sker. Vær tålmodig, det kan tage lidt tid, før væsken i beholderen tilpasser sig til sin nye situation. Ændrer væskeniveauet i sugerøret sig? Ændrer det sig meget eller kun en smule? Hvorfor tror du, at dette sker?
• Hvor meget vil væskestanden ændre sig, når du opvarmer reservoiret betydeligt? Kom lidt middelvarmt vand fra hanen i en lille skål, og placer dit termometerreservoir i vandet. Giv termometeret lidt tid til at arbejde. Hvordan ændrer væskestanden i sugerøret sig? Ændrede det sig mere, end da du opvarmede flasken med dine hænder? Vær meget opmærksom og tag termometeret ud af vandbadet, hvis væsken stiger til et niveau tæt på den øverste kant af dit sugerør. Hvad tror du, der kan få væsken til at løbe over kanten af sugerøret? Hvad kunne du ændre på dit termometer for at forhindre, at dette sker?
• Hvad forventer du, at der vil ske, når reservoiret køler ned til en temperatur under stuetemperatur?
• Udskift det mediumvarme vand i skålen med koldt vand. Tilsæt isterninger til vandet, så vandet afkøles til 0 grader Celsius (32 grader Fahrenheit). Placer termometerbeholderen i det iskolde vand, og lad termometeret tilpasse sig til den nye situation. Hvad sker der? Svarer det til eller adskiller det sig fra det, du forventede? Kan denne måling hjælpe dig med at tilføje en skala til dit termometer?
• Tag dit termometer med på en tur rundt i dit hjem eller din have. Husk at give det tid til at reagere på hvert nyt miljø, idet du skal huske på, at der måske ikke er mærkbare forskelle, hvis temperaturen er relativt ens de forskellige steder. Tip: Søg efter områder med direkte sollys for at få varmere målinger. Er et sted det varmeste sted, og hvad med det koldeste sted?
• Ekstra: Lav en skala på dit termometer (også kaldet “kalibrering” af termometeret) ved hjælp af et købt termometer. Kunne du bruge det faktum, at alkohol i dette temperaturområde udvider sig med lige store mængder for hver vundet grad i temperatur, til at gøre kalibreringen lettere?
• Ekstra: Du har lavet dette termometer med en bestemt stråbredde. Prøv at bygge et identisk termometer, nu med et smallere eller bredere sugerør. Hvordan forventer du, at målingerne vil være forskellige? Vil dette nye termometer være mere eller mindre nøjagtigt sammenlignet med dit første termometer?
• Ekstra: Du har brugt sprit til dette termometer. Prøv at lave et identisk termometer, men nu med vand som væske. I modsætning til vand, som fryser ved 0 grader C og koger ved 100 grader C, fryser sprit ved -89 grader C og koger ved 82,5 grader C. Hvilken væske ville du vælge til at lave et termometer til at måle temperaturen i din fryser? Hvad med i køkkenet til at tilberede noget på komfuret?

Observationer og resultater
Så du, at væsken steg, da du opvarmede reservoiret, og faldt, da du afkølede det?

Da temperaturen på væsken i reservoiret stiger, udvider den sig, og det eneste sted, væsken kan komme hen, er op ad det smalle rør. Hvis væskens temperatur falder, trækker den sig sammen, og derved kan der samles mere væske i reservoiret. Niveauet i det smalle rør falder derefter tilbage til et lavere niveau. Når et termometer er bygget, svarer hvert niveau i det smalle rør til præcis ét væskemængde og dermed til præcis én temperatur.

Et smallere rør (strå) resulterer i et mere nøjagtigt termometer, fordi den samme udvidelse eller sammentrækning af væsken vil medføre en stigning eller et fald over en længere strækning. Som en ulempe kan det smalle strå mindske den maksimale temperatur, som termometeret kan nå.

Der kan fyldes forskellige væsker i et termometers reservoir. Hvor meget væsken udvider sig for hver vundet grad i temperatur samt dens fryse- og kogepunkt er alle faktorer, der skal tages i betragtning, når man vælger en væske til et væsketermometer.

Rengøring
For at bortskaffe alkoholen i termometeret hældes alkoholen ned i vasken med rigeligt rindende vand. Skyl godt ud, så der ikke bliver alkohol tilbage i røret.

Mere at udforske
Thermisk ekspansion, fra Physics4kids.com
Ballon Morphing: How Gases Kontract and Expanding, fra Science Buddies
Thermometer, fra PBS Kids

Denne aktivitet er bragt i samarbejde med Science Buddies