Conceptos clave
Temperatura
Medición
Expansión térmica
Introducción
¿Tienes a veces ganas de entender cómo funcionan las cosas? O te entusiasma fabricar tú mismo objetos e instrumentos útiles? Has imaginado alguna vez que podrías construir tu propio termómetro de líquidos? Podrás utilizarlo para hacer un seguimiento de cómo varían las temperaturas según el lugar en el que te encuentres, ya sea en el interior o en el exterior. ¿Cuál será el lugar más caluroso de tu casa? ¿Y el más fresco? Tu propio termómetro casero te lo dirá.
Antecedentes
Los termómetros de líquido se han utilizado durante siglos para medir la temperatura. Consisten en un depósito lleno de líquido en el extremo de un tubo estrecho. Si la temperatura del líquido en el depósito aumenta, se expande y sube hacia el tubo estrecho. Cuando el líquido se enfría, se contrae, permitiendo que el líquido en el tubo caiga a un nivel más bajo. Por lo tanto, los niveles altos de líquido en el tubo indican una temperatura más alta y los niveles bajos indican una temperatura más baja. Al calibrar el termómetro, las temperaturas específicas correspondientes a los niveles del líquido en el tubo estrecho se marcan en el exterior del tubo. Ahora entiendes cómo funciona un termómetro de líquidos, pero ¿por qué funciona?
Los científicos se refieren a la tendencia de la materia a cambiar de volumen como resultado de un cambio de temperatura como «expansión y contracción térmica». Los gases se expanden y se contraen drásticamente. Los fluidos también se expanden y se contraen, pero su cambio de volumen es más moderado. Incluso los sólidos cambian de volumen cuando se calientan o se enfrían. Por ejemplo, los puentes son un poco más largos en un día caluroso. Sin embargo, el cambio de volumen de los sólidos es demasiado sutil para que funcione en un termómetro cotidiano. Ahora que ya sabes más sobre los termómetros de líquidos, ¡es hora de empezar a fabricar uno!
Materiales
- Pajita de plástico transparente para beber
- Regla
- Marcador permanente de punta fina
- Frasco de plástico de cuello estrecho y con tapa (los frascos pequeños, como los de medicamentos, los de colorantes para alimentos o los de extracto de vainilla, funcionan bien.)
- Agua
- Alcohol para fricciones (Trabaje en una habitación bien ventilada y no deje la botella de alcohol para fricciones al descubierto.)
- Unas cuantas gotas de colorante alimentario rojo, azul o verde (El colorante alimentario líquido funciona mejor.)
- Toallas de papel
- Arcilla para modelar
- Gotas de medicina o jeringa
- Tazón pequeño
- Agua caliente
- Cubos de hielo
- Termómetro comprado en la tienda.termómetro (opcional)
Preparación
- Vacíe y lave la pequeña botella de plástico.
- La pajita transparente para beber se convertirá en el tubo estrecho de tu termómetro. Utilice un rotulador permanente para hacer pequeñas marcas en la pajita, desde arriba hacia abajo, a intervalos de medio centímetro. Estas marcas servirán como marcas de nivel en tu termómetro.
- La arcilla para modelar sellará el cuello de la botella y mantendrá la paja en su lugar. Moldea la arcilla hasta que se sienta suave y elástica; entonces forma una bola y empújala. Esta pieza redonda y plana de arcilla debe ser más grande que el cuello de tu botella. Utiliza la pajita para hacer un agujero en el centro de esta pieza redonda de arcilla, lo suficientemente grande como para permitir que la pajita lo atraviese. Elimina la arcilla que pueda obstruir la pajita.
Procedimiento
- Añade alcohol de quemar a la botella, llenándola hasta la mitad. (Vuelva a cerrar la botella de alcohol para fricciones inmediatamente para minimizar la exposición a los gases y la evaporación.)
- Añada un par de gotas de colorante alimentario al alcohol, cierre la botella y agítela para que los líquidos se mezclen bien. Por qué crees que es importante colorear el líquido?
- Llena un cuentagotas o una jeringa con el alcohol coloreado. Coloca con cuidado el cuentagotas o la jeringa a un lado, preferiblemente sobre una toalla de papel por si se escapa algún líquido. En caso de que el nivel del líquido en tu botella haya caído por debajo de una cuarta parte, añade un poco más de alcohol para fricciones a la botella para que el nivel esté entre una cuarta parte y la mitad de la botella.
- Pasa la pajita por el agujero de tu arcilla de modelar y coloca la arcilla en el cuello de la botella para que la pajita cuelgue en ella. Ajusta la pajita para que el extremo se sumerja en el líquido pero no toque el fondo de la botella. La mayor parte de la pajita sobresaldrá de la botella. ¿Por qué crees que la pajita no debe tocar el fondo de la botella?
- Usa la arcilla de modelar para sellar la apertura de la botella y para mantener la pajita en su sitio. Importante: Asegúrate de que la arcilla forma un sello hermético alrededor de la pajita y sobre la boca de la botella, pero no cierres la abertura de la pajita. El aire no debe entrar en la botella. ¿Se te ocurre alguna razón por la que esto sea tan importante?
- Deja caer el contenido de tu gotero o jeringa -gota a gota- en la pajita. ¿Qué ocurre? ¿Sube este líquido por la pajita y se queda allí?
- Debido a que no puede salir aire del frasco, la presión del aire en el interior mantiene el nivel de líquido constante y se puede acumular una columna de líquido en la pajita. El líquido que baja por la pajita hacia el depósito indica un fallo en la junta de la parte superior de la botella. Si esto ocurre, asegúrese de que la arcilla forma un sello hermético en el cuello de la botella y alrededor de la pajita e inténtelo de nuevo.
- El nivel de líquido en la columna debe llegar aproximadamente a la mitad de la parte visible de la pajita. Si es necesario, utilice el cuentagotas o la jeringa para añadir más alcohol (sin color esta vez está bien) a la pajita.
- Observe el nivel de líquido en la pajita. Este nivel indica la temperatura ambiente. Utiliza el rotulador permanente para hacer un pequeño símbolo que indique este nivel de líquido en la pajita.
- Para probar el termómetro casero, pon las manos alrededor de la base de la botella y observa lo que ocurre. Ten paciencia, puede pasar un poco de tiempo hasta que el fluido del depósito se adapte a su nueva situación. ¿Cambia el nivel de líquido en la pajita? ¿Cambia mucho o poco? ¿Por qué crees que ocurre esto?
- ¿Cuánto cambiará el nivel de líquido al calentar considerablemente el depósito? Añade un poco de agua del grifo medianamente caliente en un cuenco pequeño y coloca el depósito de tu termómetro en el agua. Dale al termómetro un poco de tiempo para que funcione. ¿Cómo cambia el nivel de líquido en la pajita? ¿Cambió más que cuando calentaste el frasco con las manos? Asegúrate de prestar mucha atención y de sacar el termómetro del baño de agua si el líquido sube a un nivel cercano al borde superior de la pajita. ¿Qué crees que puede hacer que el líquido sobrepase el borde de la pajita? ¿Qué podrías cambiar en tu termómetro para evitar que esto ocurra?
- ¿Qué esperas que ocurra cuando el depósito se enfríe a una temperatura inferior a la del ambiente?
- Reemplaza el agua medio caliente del recipiente por agua fría. Añade cubitos de hielo al agua para que se enfríe a 0 grados Celsius (32 grados Fahrenheit). Coloque el depósito de su termómetro en el agua helada y deje que el termómetro se adapte a su nueva situación. ¿Qué ocurre? ¿Es similar o diferente a lo que esperabas? ¿Podría esta medida ayudarte a añadir una escala a tu termómetro?
- Lleva tu termómetro a recorrer tu casa o tu jardín. Recuerda darle tiempo para que responda a cada nuevo entorno, teniendo en cuenta que podría no haber diferencias notables si la temperatura es relativamente similar en diferentes lugares. Consejo: Busque zonas con luz solar directa para obtener lecturas más cálidas. ¿Es un lugar el más cálido? ¿Y el más frío?
- Extra: Haz una escala en tu termómetro (también llamado «calibrar» el termómetro) con la ayuda de un termómetro comprado en una tienda. Podrías utilizar el hecho de que en este rango de temperatura, el alcohol se expande en cantidades iguales por cada grado ganado de temperatura para facilitar la calibración?
- Extra: Has creado este termómetro con una anchura de paja determinada. Intenta construir un termómetro idéntico, ahora con una pajita más estrecha o más ancha. ¿Cómo espera que sean diferentes las mediciones? ¿Será este nuevo termómetro más o menos preciso en comparación con tu primer termómetro?
- Extra: Has utilizado alcohol para este termómetro. Intenta hacer un termómetro idéntico, ahora utilizando agua como fluido. A diferencia del agua, que se congela a 0 grados C y hierve a 100 grados C, el alcohol de quemar se congela a -89 grados C y hierve a 82,5 grados C. ¿Qué fluido elegirías para hacer un termómetro para medir la temperatura en tu congelador? ¿Y en la cocina para cocinar algo en los fogones?
Observaciones y resultados
¿Has visto que el líquido sube al calentar el depósito y baja al enfriarlo?
Al aumentar la temperatura del líquido en el depósito, éste se expande, y el único lugar al que puede subir el líquido es el tubo estrecho. Si la temperatura del líquido disminuye, se contrae, permitiendo así que se acumule más líquido en el depósito. El nivel en el tubo estrecho vuelve a bajar. Una vez construido el termómetro, cada nivel en el tubo estrecho corresponde exactamente a un volumen de líquido y, por lo tanto, exactamente a una temperatura.
Un tubo más estrecho (pajita) da lugar a un termómetro más preciso porque la misma expansión o contracción del líquido provocará una subida o bajada en una distancia mayor. Como inconveniente, la pajita estrecha podría disminuir la temperatura máxima que puede alcanzar el termómetro.
Varios líquidos pueden llenar el depósito de un termómetro. Cuánto se expande el líquido por cada grado ganado en temperatura, así como su punto de congelación y ebullición, son factores a tener en cuenta a la hora de elegir un líquido para un termómetro líquido.
Limpieza
Para deshacerse del alcohol de fricción del termómetro, vierta el alcohol en el fregadero con abundante agua corriente. Enjuaga bien para que no quede alcohol en la tubería.
Más para explorar
Expansión térmica, de Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, de Science Buddies
Thermometer, de PBS Kids
Esta actividad se realiza en colaboración con Science Buddies
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