Mittaa kotitekoisella lämpömittarilla

Keskeiset käsitteet
Lämpötila
Mittaus
Lämpölaajeneminen
Lämpölaajeneminen

Esittely
Oletko joskus innokas ymmärtämään, miten asiat toimivat? Tai innostunut tekemään itse hyödyllisiä esineitä ja välineitä? Oletko koskaan kuvitellut voivasi rakentaa oman nestelämpömittarin? Sen avulla voit seurata, miten lämpötilat vaihtelevat sijainnin mukaan – sisällä tai ulkona. Mikä osoittautuu kodin kuumimmaksi paikaksi? Entä viilein? Oma kotitekoinen lämpömittarisi pystyy kertomaan sen sinulle!

Tausta
Nesteellä täytettyjä lämpömittareita on käytetty vuosisatojen ajan lämpötilan mittaamiseen. Ne koostuvat kapean putken päässä olevasta nestetäytteisestä säiliöstä. Jos säiliössä olevan nesteen lämpötila nousee, se laajenee ja nousee kapeaan putkeen. Kun neste jäähtyy, se supistuu, jolloin putkessa oleva neste laskee alemmalle tasolle. Näin ollen korkeat nestetasot putkessa merkitsevät korkeampaa lämpötilaa ja matalat tasot matalampaa lämpötilaa. Lämpömittaria kalibroitaessa kapeassa putkessa olevia nestetasoja vastaavat lämpötilat merkitään putken ulkopuolelle. Nyt ymmärrät, miten nestelämpömittari toimii, mutta miksi se toimii?

Tutkijat kutsuvat aineen taipumusta muuttaa tilavuuttaan lämpötilan muutoksen seurauksena ”lämpölaajenemiseksi ja supistumiseksi”. Kaasut laajenevat ja supistuvat voimakkaasti. Myös nesteet laajenevat ja supistuvat, mutta niiden tilavuuden muutos on maltillisempi. Jopa kiinteät aineet muuttavat tilavuuttaan, kun niitä lämmitetään tai jäähdytetään. Esimerkiksi sillat ovat hieman pidempiä kuumana päivänä. Kiinteiden aineiden tilavuuden muutos on kuitenkin liian hienovaraista, jotta se toimisi jokapäiväisessä lämpömittarissa. Nyt kun ymmärrät enemmän nestemäisistä lämpömittareista, on aika ryhtyä itse tekemään sellaista!

Materiaalit

• Kirkas muovinen juomapilli
• Viivaimen
• Hienokärkinen permanenttimerkki
• Karkeakauluksinen pieni muovipullo, jossa on kansi (Pienet pullot, kuten esimerkiksi lääkkeille, ruoan värjäämiselle tai vaniljauutteelle tarkoitetut pullot, toimivat hyvin.)
• Vesi
• Hieronta-alkoholi (Työskentele hyvin tuuletetussa huoneessa, äläkä jätä alkoholipulloa peittämättä.)
• Muutama tippa punaista, sinistä tai vihreää elintarvikeväriä (Nestemäinen elintarvikeväri toimii parhaiten.)
• Paperipyyhkeet
• Mallinnussavi
• Lääketieteellinen tiputin tai ruisku
• Pieni kulho
• Kuumaa vettä
• Jääkuutioita
• Varastointisavi
• Varastointisavi
• Varastointisavi…ostettu lämpömittari (valinnainen)

Valmistelu

• Tyhjennä ja pese pieni, muovipullo.
• Kirkkaasta juomapullosta tulee lämpömittarin kapea putki. Tee pysyvällä tussilla pieniä merkkejä olkeen ylhäältä alaspäin puolen senttimetrin välein. Nämä merkit toimivat lämpömittarisi tasomerkkeinä.
• Mallinnussavi tiivistää pullon kaulan ja pitää pillin paikallaan. Muotoile savea, kunnes se tuntuu pehmeältä ja joustavalta; muodosta sitten pallo ja paina se tasaiseksi. Tämän pyöreän litteän savipalan tulisi olla pullon kaulaa suurempi. Puhkaise pillilläsi reikä tämän pyöreän savikappaleen keskelle, juuri niin suuri, että pillit mahtuvat kulkemaan sen läpi. Poista kaikki savi, joka tukkii pillin.

Menetelmä

• Lisää pulloon alkoholia noin puoliväliin asti. (Sulje puhdistusalkoholipullo välittömästi uudelleen, jotta altistuminen höyryille ja haihtumiselle on mahdollisimman vähäistä.)
• Lisää alkoholiin pari tippaa elintarvikeväriä, sulje pullo ja ravista sitä, jotta nesteet sekoittuvat hyvin. Miksi nesteen värjääminen on mielestäsi tärkeää?
• Täytä lääketiputin tai ruisku värillisellä ruiskutusalkoholilla. Aseta lääketiputin tai ruisku varovasti sivuun, mieluiten paperipyyhkeen päälle siltä varalta, että nestettä vuotaa ulos. Jos nesteen taso pullossasi putosi alle neljänneksen ylöspäin, lisää pulloon hieman lisää hankausalkoholia niin, että taso on neljäsosasta puoleenväliin pullossa.
• Työnnä olki mallinnussaven reiän läpi ja aseta savi pullon kaulalle niin, että olki roikkuu pullossa. Säädä pillin päätä niin, että se uppoaa nesteeseen, mutta ei kosketa pullon pohjaa. Suurin osa oljesta työntyy ulos pullosta. Miksi luulet, että pillin ei pitäisi koskettaa pullon pohjaa?
• Käytä mallinnussavea pullon aukon tiivistämiseen ja oljen pitämiseen paikallaan. Tärkeää: Varmista, että savi muodostaa tiiviin tiivisteen pillin ympärille ja pullon suuaukon päälle, mutta älä sulje pillin aukkoa. Pulloon ei saa päästä ilmaa. Keksitkö syyn, miksi tämä on niin tärkeää?
• Tiputa lääketipan tai ruiskun sisältö tippa kerrallaan pillin sisään. Mitä tapahtuu? Nouseeko tämä neste pillissä ylöspäin ja pysyykö se siellä?
• Koska pullosta ei pääse virtaamaan ilmaa ulos, ilmanpaine pullon sisällä pitää nesteen tason vakiona ja pillissä voi muodostua nestepatsas. Olkea pitkin säiliöön valuva neste osoittaa, että pullon yläosassa oleva tiiviste on pettänyt. Jos näin tapahtuu, varmista, että savi muodostaa ilmatiiviin tiivisteen pullon kaulaan ja pillin ympärille, ja yritä uudelleen.
• Nestepatsaan nestepatsaan tason pitäisi yltää noin puoliväliin pillin näkyvää osaa ylöspäin. Lisää tarvittaessa tippapullolla tai ruiskulla lisää alkoholia (väritön riittää tällä kertaa) pilliin.
• Tarkkaile nestetasoa pilliin. Tämä taso osoittaa huoneenlämpötilan. Tee pysyvällä tussilla pilliin pieni symboli, joka osoittaa tämän nestetason.
• Kokeillaksesi kotitekoista lämpömittaria pidä käsiäsi pullon pohjan ympärillä ja tarkkaile, mitä tapahtuu. Ole kärsivällinen, saattaa kestää vähän aikaa ennen kuin säiliössä oleva neste sopeutuu uuteen tilanteeseen. Muuttuuko nesteen taso pillissä? Muuttuuko se paljon vai vain vähän? Miksi luulet, että näin tapahtuu?
• Kuinka paljon nestetaso muuttuu, kun lämmität säiliötä huomattavasti? Lisää pieneen kulhoon keskilämpöistä vesijohtovettä ja aseta lämpömittarin säiliö veteen. Anna lämpömittarille hieman aikaa toimia. Miten nesteen taso pillissä muuttuu? Muuttuiko se enemmän kuin silloin, kun lämmitit pulloa käsilläsi? Ole tarkkana ja ota lämpömittari pois vesihauteesta, jos neste nousee lähelle oljen yläreunaa. Minkä luulet voivan aiheuttaa nesteen valumisen pillin reunan yli? Mitä voisit muuttaa lämpömittarissasi, jotta näin ei tapahtuisi?
• Mitä arvelet tapahtuvan, kun säiliö jäähtyy huoneenlämpötilan alapuolelle?
• Vaihda kulhossa oleva keskilämmin vesi kylmään veteen. Lisää veteen jääpaloja, jotta vesi jäähtyy 0 celsiusasteeseen (32 celsiusastetta). Aseta lämpömittarin säiliö jääkylmään veteen ja anna lämpömittarin sopeutua uuteen tilanteeseen. Mitä tapahtuu? Onko tulos samanlainen vai erilainen kuin odotit? Voisiko tämä mittaus auttaa sinua lisäämään asteikon lämpömittariisi?
• Vie lämpömittarisi kierrokselle kotiisi tai pihallesi. Muista antaa sille aikaa reagoida jokaiseen uuteen ympäristöön, pitäen mielessä, että eroja ei välttämättä ole havaittavissa, jos lämpötila on suhteellisen samanlainen eri paikoissa. Vinkki: Etsi alueita, joilla on suoraa auringonvaloa lämpimämpiä lukemia varten. Onko jokin paikka lämpimin? Entä viilein?
• Extra: Tee lämpömittarillesi asteikko (jota kutsutaan myös lämpömittarin ”kalibroinniksi”) kaupasta ostetun lämpömittarin avulla. Voisitko käyttää kalibroinnin helpottamiseksi hyväksi sitä tosiasiaa, että tällä lämpötila-alueella alkoholi laajenee yhtä paljon jokaista saavutettua lämpötila-astetta kohden?
• Extra: Loit tämän lämpömittarin tietyllä oljen leveydellä. Yritä rakentaa samanlainen lämpömittari, nyt kapeammalla tai leveämmällä oljella. Miten odotat mittausten eroavan toisistaan? Onko tämä uusi lämpömittari enemmän vai vähemmän tarkka verrattuna ensimmäiseen lämpömittariisi?
• Extra: Käytit tähän lämpömittariin puhdistusalkoholia. Yritä tehdä samanlainen lämpömittari käyttäen nyt nesteenä vettä. Toisin kuin vesi, joka jäätyy 0 celsiusasteessa ja kiehuu 100 celsiusasteessa, hankausalkoholi jäätyy -89 celsiusasteessa ja kiehuu 82,5 celsiusasteessa. Minkä nesteen valitsisit tehdessäsi lämpömittarin pakastimesi lämpötilan mittaamista varten? Entä keittiössä keittääksesi jotain liedellä?

Havainnot ja tulokset
Havaitsitko nesteen nousevan, kun lämmitit säiliötä, ja laskevan, kun jäähdytit sitä?

Kun nesteen lämpötila säiliössä nousee, se laajenee, ja ainoa paikka, johon neste voi mennä, on kapeaa putkea ylöspäin. Jos nesteen lämpötila laskee, se supistuu, jolloin säiliöön pääsee kertymään enemmän nestettä. Tällöin kapean putken taso laskee takaisin alemmalle tasolle. Kun lämpömittari on rakennettu, jokainen taso kapeassa putkessa vastaa täsmälleen yhtä nestemäärää ja siten täsmälleen yhtä lämpötilaa.

Kapeampi putki (olki) johtaa tarkempaan lämpömittariin, koska sama nesteen laajeneminen tai supistuminen aiheuttaa nousun tai laskun pidemmällä matkalla. Haittapuolena kapea olki saattaa pienentää maksimilämpötilaa, jonka lämpömittari voi saavuttaa.

Lämpömittarin säiliön voivat täyttää erilaiset nesteet. Se, kuinka paljon neste laajenee jokaista saavutettua lämpötila-astetta kohden, sekä sen jäätymis- ja kiehumispiste ovat kaikki tekijöitä, jotka on otettava huomioon valittaessa nestelämpömittarin nestettä.

Puhdistaminen
Hävittääksesi lämpömittarissa olleen puhdistusalkoholin, kaada alkoholi lavuaariin runsaan juoksevan veden kanssa. Huuhtele hyvin, jotta alkoholia ei jää putkeen.

Lisää tutkittavaa
Lämpölaajeneminen, osoitteesta Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, osoitteesta Science Buddies
Lämpömittari, osoitteesta PBS Kids

Tämä aktiviteetti on tuotu sinulle yhteistyössä Science Buddiesin kanssa