Messen Sie mit einem selbstgebauten Thermometer

Schlüsselbegriffe
Temperatur
Messung
Wärmeausdehnung

Einführung
Sind Sie manchmal begierig zu verstehen, wie Dinge funktionieren? Oder begeistert davon, nützliche Gegenstände und Instrumente selbst herzustellen? Hast du dir jemals vorgestellt, dass du dein eigenes Flüssigkeitsthermometer bauen könntest? Damit kannst du verfolgen, wie sich die Temperaturen je nach Standort verändern – drinnen oder draußen. Wo ist es bei dir zu Hause am wärmsten? Und wo ist es am kältesten? Dein selbstgebautes Thermometer wird es dir verraten!

Hintergrund
Flüssigkeitsthermometer werden seit Jahrhunderten zur Temperaturmessung verwendet. Sie bestehen aus einem mit Flüssigkeit gefüllten Behälter am Ende eines engen Rohrs. Erhöht sich die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter, dehnt sie sich aus und steigt in das enge Rohr auf. Wenn die Flüssigkeit abkühlt, zieht sie sich zusammen, so dass die Flüssigkeit im Rohr auf einen niedrigeren Stand fällt. Ein hoher Flüssigkeitsstand in der Röhre zeigt daher eine höhere Temperatur an, ein niedriger Stand eine niedrigere Temperatur. Bei der Kalibrierung des Thermometers werden die spezifischen Temperaturen, die den Flüssigkeitsständen in der engen Röhre entsprechen, auf der Außenseite der Röhre markiert. Jetzt weißt du, wie ein Flüssigkeitsthermometer funktioniert, aber warum funktioniert es?

Wissenschaftler bezeichnen die Tendenz der Materie, ihr Volumen infolge einer Temperaturänderung zu verändern, als „thermische Expansion und Kontraktion“. Gase dehnen sich aus und ziehen sich drastisch zusammen. Auch Flüssigkeiten dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, aber ihre Volumenänderung ist moderater. Auch Feststoffe ändern ihr Volumen, wenn sie erhitzt oder abgekühlt werden. So sind zum Beispiel Brücken an einem heißen Tag ein wenig länger. Die Volumenveränderung von Festkörpern ist jedoch zu gering, um in einem alltäglichen Thermometer zu funktionieren. Jetzt, da du mehr über Flüssigkeitsthermometer weißt, ist es an der Zeit, eines zu bauen!

Materialien

• Klarer Trinkhalm aus Plastik
• Lineal
• Feiner Permanentmarker
• Enghalsige, kleine Plastikflasche mit Deckel (Kleine Flaschen wie die für Medizin, Lebensmittelfarbe oder Vanilleextrakt eignen sich gut.)
• Wasser
• Reinigungsalkohol (Arbeiten Sie in einem gut belüfteten Raum, und lassen Sie die Flasche mit dem Reinigungsalkohol nicht offen stehen.)
• Ein paar Tropfen rote, blaue oder grüne Lebensmittelfarbe (Flüssige Lebensmittelfarbe funktioniert am besten.)
• Papiertücher
• Knetmasse
• Medizinische Pipette oder Spritze
• Kleine Schüssel
• Warmes Wasser
• Eiswürfel
• Geschäftlich gekauftesgekauftes Thermometer (optional)

Vorbereitung

• Leeren und waschen Sie die kleine, Plastikflasche.
• Der durchsichtige Trinkhalm wird das schmale Rohr deines Thermometers sein. Markiere den Strohhalm mit einem Permanentmarker von oben nach unten in Abständen von einem halben Zentimeter. Diese Markierungen dienen als Höhenmarkierungen auf deinem Thermometer.
• Modelliermasse wird den Flaschenhals abdichten und den Strohhalm an seinem Platz halten. Forme die Knete, bis sie sich weich und elastisch anfühlt; forme dann eine Kugel und drücke sie flach. Dieses runde, flache Stück Ton sollte größer sein als der Flaschenhals. Stanze mit dem Strohhalm ein Loch in die Mitte dieses runden Stücks Ton, das gerade groß genug ist, damit der Strohhalm hindurch passt. Entferne den Ton, der den Strohhalm verstopft.

Vorgehensweise

• Gebe Reinigungsalkohol in die Flasche und fülle sie etwa bis zur Hälfte. (Verschließen Sie die Flasche mit Franzbranntwein sofort wieder, um Dämpfe und Verdunstung zu vermeiden.)
• Geben Sie ein paar Tropfen Lebensmittelfarbe in den Alkohol, schließen Sie die Flasche und schütteln Sie sie, damit sich die Flüssigkeiten gut vermischen. Warum ist es deiner Meinung nach wichtig, die Flüssigkeit zu färben?
• Fülle eine Tropfpistole oder eine Spritze mit dem gefärbten Reinigungsalkohol. Lege die Pipette oder Spritze vorsichtig beiseite, am besten auf ein Papiertuch, falls Flüssigkeit ausläuft. Falls der Flüssigkeitsstand in der Flasche auf weniger als ein Viertel gesunken ist, gib etwas mehr Franzbranntwein in die Flasche, so dass der Füllstand ein Viertel bis zur Hälfte der Flasche beträgt.
• Stecke den Strohhalm durch das Loch in deiner Knetmasse und setze die Knetmasse auf den Flaschenhals, so dass der Strohhalm in der Flasche hängt. Richte den Strohhalm so aus, dass das Ende in die Flüssigkeit eintaucht, aber nicht den Boden der Flasche berührt. Der größte Teil des Strohhalms wird aus der Flasche herausragen. Warum sollte der Strohhalm deiner Meinung nach nicht den Boden der Flasche berühren?
• Verwendet die Knetmasse, um die Flaschenöffnung abzudichten und den Strohhalm zu fixieren. Wichtig: Achte darauf, dass die Knete den Strohhalm und die Flaschenöffnung fest umschließt, aber die Öffnung des Strohhalms nicht verschließt. Es sollte keine Luft in die Flasche eindringen können. Fällt dir ein Grund ein, warum das so wichtig ist?
• Tropfe den Inhalt deines Medikamententropfers oder deiner Spritze – Tropfen für Tropfen – in den Strohhalm. Was passiert dabei? Steigt die Flüssigkeit im Strohhalm nach oben und bleibt dort?
• Da keine Luft aus der Flasche strömen kann, hält der Luftdruck im Inneren den Flüssigkeitsstand konstant und es kann sich eine Flüssigkeitssäule im Strohhalm bilden. Flüssigkeit, die durch den Strohhalm in das Reservoir läuft, deutet darauf hin, dass die Dichtung am oberen Ende der Flasche versagt. Vergewissern Sie sich in diesem Fall, dass die Knetmasse den Flaschenhals und den Strohhalm luftdicht verschließt, und versuchen Sie es erneut.
• Der Flüssigkeitsstand in der Säule sollte etwa die Mitte des sichtbaren Teils des Strohhalms erreichen. Falls nötig, verwende die Pipette oder Spritze, um mehr Alkohol (diesmal ungefärbt) in den Strohhalm zu geben.
• Beobachte den Flüssigkeitsstand im Strohhalm. Dieser Stand zeigt die Raumtemperatur an. Benutze den Permanentmarker, um ein kleines Symbol auf deinem Strohhalm zu machen, das diesen Flüssigkeitsstand anzeigt.
• Um das selbstgemachte Thermometer zu testen, halte deine Hände um den Boden der Flasche und beobachte, was passiert. Habt Geduld, es kann ein wenig dauern, bis sich die Flüssigkeit im Behälter an die neue Situation angepasst hat. Verändert sich der Flüssigkeitsstand im Strohhalm? Verändert er sich sehr stark oder nur ein wenig? Was denken Sie, warum dies geschieht?
• Wie stark verändert sich der Flüssigkeitsstand, wenn man den Behälter stark erwärmt? Gib etwas mittelwarmes Leitungswasser in eine kleine Schüssel und stelle dein Thermometerreservoir in das Wasser. Gib dem Thermometer ein wenig Zeit, um zu arbeiten. Wie verändert sich der Flüssigkeitsstand im Strohhalm? Hat er sich stärker verändert, als wenn du die Flasche mit deinen Händen erwärmt hast? Achte genau darauf und nimm das Thermometer aus dem Wasserbad, wenn die Flüssigkeit bis nahe an den oberen Rand deines Strohhalms steigt. Was könnte deiner Meinung nach dazu führen, dass die Flüssigkeit über den Rand des Strohhalms fließt? Was könntest du an deinem Thermometer ändern, um dies zu verhindern?
• Was wird deiner Meinung nach passieren, wenn das Reservoir auf eine Temperatur unter Raumtemperatur abkühlt?
• Ersetze das mittelwarme Wasser in der Schüssel durch kaltes Wasser. Gib Eiswürfel in das Wasser, damit das Wasser auf 0 Grad Celsius abkühlt. Lege dein Thermometerreservoir in das eiskalte Wasser und lasse das Thermometer sich an die neue Situation anpassen. Was passiert nun? Ist das Ergebnis ähnlich oder anders als erwartet? Könnte dir diese Messung helfen, eine Skala zu deinem Thermometer hinzuzufügen?
• Begib dein Thermometer auf eine Tour durch dein Haus oder deinen Garten. Denken Sie daran, dem Thermometer Zeit zu geben, sich auf jede neue Umgebung einzustellen, und bedenken Sie, dass es vielleicht keine merklichen Unterschiede gibt, wenn die Temperatur an verschiedenen Orten relativ ähnlich ist. Tipp: Achten Sie auf Bereiche mit direkter Sonneneinstrahlung, um wärmere Messwerte zu erhalten. Ist ein Ort der wärmste oder der kälteste?
• Extra: Erstelle mit Hilfe eines gekauften Thermometers eine Skala auf deinem Thermometer (auch „Kalibrierung“ des Thermometers genannt). Könntest du die Tatsache nutzen, dass sich Alkohol in diesem Temperaturbereich für jedes gewonnene Grad Temperatur um den gleichen Betrag ausdehnt, um die Kalibrierung zu erleichtern?
• Extra: Du hast dieses Thermometer mit einer bestimmten Halmbreite gebaut. Versuche, ein identisches Thermometer zu bauen, nun mit einem schmaleren oder breiteren Strohhalm. Welche Unterschiede erwarten Sie bei den Messungen? Wird dieses neue Thermometer im Vergleich zu deinem ersten Thermometer mehr oder weniger genau sein?
• Extra: Du hast für dieses Thermometer Franzbranntwein verwendet. Versuchen Sie, ein identisches Thermometer herzustellen, nun aber mit Wasser als Flüssigkeit. Im Gegensatz zu Wasser, das bei 0 Grad Celsius gefriert und bei 100 Grad Celsius siedet, gefriert Franzbranntwein bei -89 Grad Celsius und siedet bei 82,5 Grad Celsius. Welche Flüssigkeit würdest du wählen, um ein Thermometer zur Messung der Temperatur in deinem Gefrierschrank herzustellen? Wie sieht es in der Küche aus, um etwas auf dem Herd zu kochen?

Beobachtungen und Ergebnisse
Siehst du, wie die Flüssigkeit steigt, wenn du den Behälter erwärmst, und wie sie fällt, wenn du ihn abkühlst?

Wenn die Temperatur der Flüssigkeit im Behälter steigt, dehnt sie sich aus, und die Flüssigkeit kann nur noch in das enge Rohr steigen. Wenn die Temperatur der Flüssigkeit sinkt, zieht sie sich zusammen, so dass sich mehr Flüssigkeit im Behälter sammeln kann. Der Pegel in der schmalen Röhre sinkt dann wieder auf ein niedrigeres Niveau. Wenn ein Thermometer gebaut ist, entspricht jeder Füllstand in der engen Röhre genau einem Flüssigkeitsvolumen und damit genau einer Temperatur.

Eine engere Röhre (Strohhalm) führt zu einem genaueren Thermometer, weil die gleiche Ausdehnung oder Kontraktion der Flüssigkeit einen Anstieg oder Abfall über eine längere Strecke bewirkt. Der Nachteil ist, dass der schmale Strohhalm die maximale Temperatur, die das Thermometer erreichen kann, verringern kann.

Viele verschiedene Flüssigkeiten können das Reservoir eines Thermometers füllen. Bei der Auswahl einer Flüssigkeit für ein Flüssigkeitsthermometer ist zu berücksichtigen, wie stark sich die Flüssigkeit bei jedem gewonnenen Grad Temperatur ausdehnt und wie hoch ihr Gefrier- und Siedepunkt ist.

Reinigung
Um den Franzbranntwein im Thermometer zu entsorgen, schütten Sie den Alkohol unter fließendem Wasser in den Ausguss. Spüle gut nach, damit kein Alkohol in der Leitung zurückbleibt.

Mehr zum Erforschen
Thermal Expansion, von Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, von Science Buddies
Thermometer, von PBS Kids

Diese Aktivität wird Ihnen in Zusammenarbeit mit Science Buddies präsentiert