Mesurez avec un thermomètre fait maison

Concepts clés
Température
Mesure
Dilatation thermique

Introduction
Etes-vous parfois désireux de comprendre comment les choses fonctionnent ? Ou excité à l’idée de fabriquer vous-même des objets et des instruments utiles ? Avez-vous déjà imaginé que vous pourriez construire votre propre thermomètre à liquide ? Vous pourrez l’utiliser pour suivre la variation des températures en fonction du lieu – à l’intérieur ou à l’extérieur. Quel sera l’endroit le plus chaud de votre maison ? Et le plus frais ? Votre propre thermomètre maison sera en mesure de vous le dire !

Contexte
Les thermomètres à remplissage liquide sont utilisés depuis des siècles pour mesurer la température. Ils se composent d’un réservoir rempli de liquide à l’extrémité d’un tube étroit. Si la température du liquide dans le réservoir augmente, il se dilate et monte dans le tube étroit. Lorsque le liquide se refroidit, il se contracte, permettant au liquide dans le tube de descendre à un niveau inférieur. Par conséquent, des niveaux élevés de liquide dans le tube indiquent une température plus élevée et des niveaux bas indiquent une température plus basse. Lors de l’étalonnage du thermomètre, les températures spécifiques correspondant aux niveaux de liquide dans le tube étroit sont marquées sur l’extérieur du tube. Vous comprenez maintenant comment fonctionne un thermomètre à liquide, mais pourquoi fonctionne-t-il ?

Les scientifiques appellent « dilatation et contraction thermique » la tendance de la matière à changer de volume sous l’effet d’un changement de température. » Les gaz se dilatent et se contractent de façon spectaculaire. Les fluides se dilatent et se contractent également, mais leur changement de volume est plus modéré. Même les solides changent de volume lorsqu’ils sont chauffés ou refroidis. Par exemple, les ponts sont un peu plus longs lorsqu’il fait chaud. Le changement de volume des solides est cependant trop subtil pour être pris en compte dans un thermomètre de tous les jours. Maintenant que vous en savez plus sur les thermomètres liquides, il est temps de commencer à en fabriquer réellement un !

Matériels

• Paille à boire en plastique transparent
• Règle
• Marqueur permanent à pointe fine
• Petite bouteille en plastique à col étroit avec couvercle (Les petites bouteilles comme celles pour les médicaments, les colorants alimentaires ou l’extrait de vanille fonctionnent bien.)
• Eau
• Alcool à friction (Travaillez dans une pièce bien ventilée, et ne laissez pas la bouteille d’alcool à friction découverte.)
• Quelques gouttes ou colorant alimentaire rouge, bleu ou vert (Le colorant alimentaire liquide fonctionne mieux.)
• Serviettes en papier
• Pâte à modeler
• Compte-gouttes ou seringue
• Petit bol
• Eau chaude
• Cubes de glace
• Thermomètre acheté en magasin (facultatif)
• .acheté (facultatif)

Préparation

• Vider et laver la petite, bouteille en plastique.
• La paille à boire transparente deviendra le tube étroit de votre thermomètre. Utilisez un marqueur permanent pour faire de petites marques sur la paille, du haut vers le bas, à intervalles d’un demi-centimètre. Ces marques serviront de repères de niveau sur votre thermomètre.
• La pâte à modeler scellera le goulot de la bouteille et maintiendra la paille en place. Moulez l’argile jusqu’à ce qu’elle soit souple et élastique ; puis formez une boule et poussez-la à plat. Ce morceau d’argile rond et plat doit être plus grand que le goulot de votre bouteille. Avec votre paille, percez un trou au milieu de ce morceau d’argile rond, juste assez grand pour permettre à la paille de passer. Retirez toute argile qui obstrue la paille.

Procédure

• Ajoutez de l’alcool à friction dans la bouteille, en la remplissant environ à mi-hauteur. (Refermez immédiatement la bouteille d’alcool à friction pour minimiser l’exposition aux vapeurs et à l’évaporation.)
• Ajoutez quelques gouttes de colorant alimentaire à l’alcool, fermez la bouteille et agitez-la pour que les liquides se mélangent bien. Pourquoi pensez-vous qu’il est important de colorer le liquide ?
• Remplir un compte-gouttes à médicaments ou une seringue avec l’alcool à friction coloré. Mettez soigneusement le compte-gouttes de médicament ou la seringue de côté, de préférence sur une serviette en papier au cas où du liquide s’échapperait. Au cas où le niveau du liquide dans votre bouteille serait descendu en dessous du quart de la hauteur, ajoutez un peu plus d’alcool à friction dans la bouteille de façon à ce que le niveau se situe entre le quart et la moitié de la hauteur de la bouteille.
• Piquez la paille dans le trou de votre pâte à modeler et placez la pâte sur le goulot de la bouteille de façon à ce que la paille pende dans la bouteille. Ajustez la paille pour que l’extrémité soit immergée dans le liquide mais ne touche pas le fond de la bouteille. La majeure partie de la paille dépassera de la bouteille. Pourquoi pensez-vous que la paille ne doit pas toucher le fond de votre bouteille ?
• Utilisez la pâte à modeler pour sceller l’ouverture de la bouteille et pour maintenir la paille en place. Important : assurez-vous que l’argile forme un joint étanche autour de la paille et sur le goulot de la bouteille, mais ne fermez pas l’ouverture de la paille. L’air ne doit pas pouvoir entrer dans la bouteille. Pouvez-vous penser à une raison pour laquelle ceci est si important ?
• Faites couler le contenu de votre compte-gouttes ou de votre seringue à médicaments – goutte par goutte – dans la paille. Que se passe-t-il ? Ce liquide monte-t-il dans la paille et y reste-t-il ?
• Parce que l’air ne peut pas s’écouler de la bouteille, la pression de l’air à l’intérieur maintient le niveau du liquide constant et une colonne de liquide peut s’accumuler dans la paille. Le liquide qui s’écoule de la paille vers le réservoir indique une défaillance du joint d’étanchéité au sommet de la bouteille. Si cela se produit, assurez-vous que l’argile forme un joint étanche à l’air au niveau du col de la bouteille et autour de la paille et réessayez.
• Le niveau de liquide dans la colonne doit atteindre environ la moitié de la partie visible de la paille. Si nécessaire, utilisez le compte-gouttes ou la seringue pour ajouter plus d’alcool (non coloré est bien cette fois) dans la paille.
• Observez le niveau de liquide dans la paille. Ce niveau indique la température ambiante. Utilisez le marqueur permanent pour faire un petit symbole indiquant ce niveau de liquide sur votre paille.
• Pour tester le thermomètre fait maison, tenez vos mains autour de la base de la bouteille et observez ce qui se passe. Soyez patient, cela peut prendre un peu de temps avant que le fluide dans le réservoir s’adapte à sa nouvelle situation. Le niveau du liquide dans la paille change-t-il ? Est-ce qu’il change beaucoup ou juste un peu ? Pourquoi pensez-vous que cela se produit ?
• De combien le niveau de liquide changera-t-il si vous chauffez considérablement le réservoir ? Ajoutez de l’eau du robinet moyennement chaude dans un petit bol et placez le réservoir de votre thermomètre dans l’eau. Donnez au thermomètre un peu de temps pour fonctionner. Comment le niveau du liquide dans la paille change-t-il ? A-t-il changé davantage que lorsque vous avez chauffé la bouteille avec vos mains ? Faites bien attention et retirez le thermomètre du bain-marie si le liquide atteint un niveau proche du bord supérieur de votre paille. D’après vous, qu’est-ce qui pourrait faire déborder le liquide par-dessus le bord de la paille ? Que pourriez-vous changer dans votre thermomètre pour éviter que cela ne se produise ?
• Que pensez-vous qu’il se passera lorsque le réservoir se refroidira à une température inférieure à la température ambiante ?
• Remplacez l’eau moyennement chaude dans le bol par de l’eau froide. Ajoutez des glaçons à l’eau pour que l’eau refroidisse à 0 degré Celsius (32 degrés Fahrenheit). Placez le réservoir de votre thermomètre dans l’eau glacée et laissez le thermomètre s’adapter à sa nouvelle situation. Que se passe-t-il ? Est-il similaire ou différent de ce à quoi vous vous attendiez ? Cette mesure pourrait-elle vous aider à ajouter une échelle à votre thermomètre ?
• Prenez votre thermomètre pour faire le tour de votre maison ou de votre cour. N’oubliez pas de lui donner le temps de réagir à chaque nouvel environnement, en gardant à l’esprit qu’il pourrait ne pas y avoir de différences notables si la température est relativement similaire dans différents endroits. Conseil : Recherchez les zones directement exposées au soleil pour obtenir des relevés plus chauds. Un endroit est-il le plus chaud ? Et le plus froid ?
• Extra : Faites une échelle sur votre thermomètre (aussi appelé « calibrage » du thermomètre) à l’aide d’un thermomètre acheté en magasin. Pourriez-vous utiliser le fait que dans cette plage de température, l’alcool se dilate d’une quantité égale pour chaque degré gagné en température pour faciliter l’étalonnage ?
• Extra : Vous avez créé ce thermomètre avec une largeur de paille particulière. Essayez de construire un thermomètre identique, mais avec une paille plus étroite ou plus large. Comment pensez-vous que les mesures seront différentes ? Ce nouveau thermomètre sera-t-il plus ou moins précis par rapport à votre premier thermomètre ?
• Extra : Tu as utilisé de l’alcool à friction pour ce thermomètre. Essayez de fabriquer un thermomètre identique, en utilisant maintenant de l’eau comme fluide. Contrairement à l’eau, qui gèle à 0 degré C et bout à 100 degrés C, l’alcool à friction gèle à -89 degrés C et bout à 82,5 degrés C. Quel fluide choisiriez-vous pour fabriquer un thermomètre afin de mesurer la température de votre congélateur ? Et dans la cuisine pour cuire quelque chose sur la cuisinière ?

Observations et résultats
Avez-vous vu le fluide monter lorsque vous avez chauffé le réservoir et descendre lorsque vous l’avez refroidi ?

Lorsque la température du liquide dans le réservoir augmente, il se dilate et le seul endroit où le liquide peut aller est le haut du tube étroit. Si la température du liquide diminue, il se contracte, permettant ainsi à plus de liquide de s’accumuler dans le réservoir. Le niveau dans le tube étroit redescend alors à un niveau inférieur. Une fois le thermomètre construit, chaque niveau dans le tube étroit correspond à exactement un volume de liquide, et donc, à exactement une température.

Un tube plus étroit (paille) permet d’obtenir un thermomètre plus précis, car la même dilatation ou contraction du liquide provoquera une montée ou une descente sur une plus grande distance. Comme inconvénient, la paille étroite pourrait diminuer la température maximale que le thermomètre peut atteindre.

Divers liquides peuvent remplir le réservoir d’un thermomètre. La quantité de liquide qui se dilate pour chaque degré gagné en température ainsi que son point de congélation et d’ébullition sont tous des facteurs à prendre en compte lors du choix d’un fluide pour un thermomètre liquide.

Nettoyage
Pour éliminer l’alcool à friction dans le thermomètre, versez l’alcool dans l’évier avec beaucoup d’eau courante. Tirez bien la chasse pour qu’il ne reste pas d’alcool dans le tuyau.

Plus à explorer
Dilatation thermique, de Physics4kids.com
Morphing de ballons : comment les gaz se contractent et se dilatent, de Science Buddies
Thermomètre, de PBS Kids

Cette activité vous est proposée en partenariat avec Science Buddies

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