Mérjünk házi hőmérővel

Kulcsfogalmak
Hőmérséklet
Mérés
Hőtágulás

Bevezetés
Van, hogy néha szeretnéd megérteni, hogyan működnek a dolgok? Vagy izgat, hogy hasznos tárgyakat és műszereket készíthetsz magadnak? Gondoltad volna, hogy megépítheted a saját folyadékhőmérődet? Ezzel nyomon tudod majd követni, hogyan változik a hőmérséklet a hely függvényében – akár a szabadban, akár a szabadban. Melyik lesz a legmelegebb hely otthonodban? És mi a leghidegebb? A saját készítésű hőmérőd képes lesz megmondani!

Háttér
A folyadékkal töltött hőmérőket évszázadok óta használják a hőmérséklet mérésére. Ezek egy folyadékkal töltött tartályból állnak egy keskeny cső végén. Ha a tartályban lévő folyadék hőmérséklete megemelkedik, az kitágul és felemelkedik a keskeny csőbe. Ha a folyadék lehűl, összehúzódik, és a csőben lévő folyadék alacsonyabb szintre csökken. Ezért a csőben lévő folyadék magas szintje magasabb hőmérsékletet, alacsony szintje pedig alacsonyabb hőmérsékletet jelez. A hőmérő kalibrálásakor a keskeny csőben lévő folyadék szintjének megfelelő specifikus hőmérsékleteket a cső külső oldalán jelöljük. Most már érted, hogyan működik a folyadékhőmérő, de miért működik?

A tudósok “hőtágulásnak és -összehúzódásnak” nevezik az anyagnak a hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező térfogatváltozási tendenciáját. A gázok drasztikusan tágulnak és összehúzódnak. A folyadékok is tágulnak és összehúzódnak, de térfogatváltozásuk mérsékeltebb. Még a szilárd anyagok térfogata is változik, amikor felmelegednek vagy lehűlnek. Például a hidak egy kicsit hosszabbak egy meleg napon. A szilárd testek térfogatváltozása azonban túl finom ahhoz, hogy egy mindennapi hőmérőben működjön. Most, hogy már többet tudsz a folyadékhőmérőkről, itt az ideje, hogy ténylegesen elkezdj egyet készíteni!

Műanyagok

• Tiszta műanyag ivószalma
• Húzóvonalas
• finom hegyű tartós filctoll
• Szűk nyakú, kis, műanyag flakon fedővel (Jól működnek az olyan kis flakonok, mint amilyenek a gyógyszerek, ételfestékek vagy vaníliakivonat számára készültek.)
• Víz
• Dörzsölő alkohol (Jól szellőző helyiségben dolgozzon, és ne hagyja fedetlenül a dörzsölő alkoholt tartalmazó palackot.)
• Pár csepp piros, kék vagy zöld ételfesték (A legjobban a folyékony ételfesték működik.)
• Papírtörlő
• Modellező gyurma
• Medicinás cseppentő vagy fecskendő
• Kis tál
• Meleg víz
• Jégkocka
• Tárolóedény
• Tároló…vásárolt hőmérő (opcionális)

Előkészítés

• Töltse ki és mossa ki a kis, műanyag palackot.
• A tiszta ivószál lesz a hőmérő keskeny csöve. Egy tartós filctollal tegyél kis jeleket a szívószálra, felülről lefelé, fél centiméterenként. Ezek a jelek szolgálnak majd szintjelként a hőmérődön.
• A modellezőgyurma lezárja a palack nyakát és a helyén tartja a szívószálat. Formázd az agyagot, amíg puhának és rugalmasnak nem érzed; majd formázz belőle egy golyót, és nyomd laposra. Ennek a kerek, lapos agyagdarabnak nagyobbnak kell lennie, mint a palack nyaka. A szívószáladdal lyukaszd ki a kerek agyagdarab közepét, éppen akkorát, hogy a szívószál átférjen rajta. Távolítsd el a szívószálat eltömítő agyagot.

Eljárás

• Adj a palackba dörzsölő alkoholt, körülbelül félig töltsd meg. (Azonnal zárja vissza a dörzsölőalkoholos üveget, hogy a lehető legkisebbre csökkentse a gőzök és a párolgás hatását.)
• Adjon néhány csepp ételfestéket az alkoholhoz, zárja le az üveget, és rázza meg, hogy a folyadékok jól összekeveredjenek. Mit gondolsz, miért fontos a folyadék színezése?
• Töltsd meg egy gyógyszeres cseppentőbe vagy fecskendőbe a színezett szeszt. Óvatosan tegye félre a gyógyszeres cseppentőt vagy fecskendőt, lehetőleg egy papírtörlőre, ha esetleg folyadék szivárogna ki. Abban az esetben, ha a folyadék szintje a palackodban a felfelé vezető út negyede alá esett, adj még egy kis dörzsölő alkoholt a palackba, hogy a szint a palack negyedéig vagy feléig érjen.
• Dugd át a szívószálat a modellező gyurmán lévő lyukon, és helyezd a gyurmát a palack nyakára úgy, hogy a szívószál a palackban lógjon. Állítsd be a szívószálat úgy, hogy a vége belemerüljön a folyadékba, de ne érjen a palack aljához. A szívószál nagy része ki fog állni a palackból. Miért gondolod, hogy a szívószál nem érhet a palack aljához?
• A modellezőgyurmát használd arra, hogy lezárd a palack nyílását és a helyén tartsd a szívószálat. Fontos: Győződj meg róla, hogy az agyag szorosan lezárja a szívószálat a szívószál körül és a palack szája felett, de ne zárja el a szívószál nyílását. A levegőnek nem szabad bejutnia a palackba. Tudod, hogy ez miért olyan fontos?
• Csepegtesse a gyógyszercseppentő vagy fecskendő tartalmát – cseppenként – a szívószálba. Mi történik? Ez a folyadék felemelkedik a szívószálon, és ott is marad?
• Mivel a palackból nem tud levegő kiáramlani, a benne lévő légnyomás állandó szinten tartja a folyadék szintjét, és a szívószálban folyadékoszlop alakulhat ki. A szívószálon a tartályba folyó folyadék a palack tetején lévő tömítés meghibásodását jelzi. Ha ez történik, győződjön meg róla, hogy az agyag légmentesen lezárja a palack nyakát és a szívószálat, majd próbálja meg újra.
• A folyadékoszlopban lévő folyadékszintnek körülbelül a szívószál látható részének közepéig kell felérnie. Ha szükséges, cseppentővel vagy fecskendővel adjon még alkoholt (ezúttal színtelen is megfelel) a szívószálba.
• Figyelje a folyadékszintet a szívószálban. Ez a szint jelzi a szobahőmérsékletet. Az állandó filccel készíts egy kis szimbólumot, amely ezt a folyadékszintet jelzi a szívószáladon.
• A házi készítésű hőmérő teszteléséhez tartsd a kezed az üveg alján, és figyeld meg, mi történik. Légy türelmes, egy kis időbe telhet, amíg a tartályban lévő folyadék alkalmazkodik az új helyzethez. Változik a folyadék szintje a szívószálban? Sokat változik vagy csak egy kicsit? Mit gondolsz, miért történik ez?
• Mennyire változik a folyadékszint, ha jelentősen felmelegíted a tartályt? Adj egy kis tálba közepesen meleg csapvizet, és helyezd a vízbe a hőmérő tartályát. Adj egy kis időt a hőmérőnek. Hogyan változik a folyadékszint a szívószálban? Jobban változott, mint amikor a kezeddel melegítetted a palackot? Mindenképpen figyelj nagyon, és vedd ki a hőmérőt a vízfürdőből, ha a folyadék a szívószálad felső széléhez közeli szintre emelkedik. Mit gondolsz, mi okozhatta, hogy a folyadék átfolyik a szívószál szélén? Mit tudnál változtatni a hőmérődön, hogy ez ne történjen meg?
• Mire számítasz, mi fog történni, ha a tartály szobahőmérséklet alá hűl?
• A tálban lévő közepesen meleg vizet cseréld ki hideg vízzel. Adjunk jégkockát a vízhez, hogy a víz 0 Celsius-fokra (32 Fahrenheit-fokra) hűljön. Helyezze a hőmérő tartályát a jéghideg vízbe, és hagyja, hogy a hőmérő alkalmazkodjon az új helyzethez. Mi történik? Hasonló vagy más, mint amire számítottál? Segíthet ez a mérés abban, hogy skálát adj a hőmérődhöz?
• Vezesd körbe a hőmérődet otthonodban vagy az udvaron. Ne feledje, hogy adjon neki időt, hogy reagáljon minden egyes új környezetre, szem előtt tartva, hogy nem biztos, hogy észrevehető különbségek lesznek, ha a hőmérséklet viszonylag hasonló a különböző helyeken. Tipp: Keresse a közvetlen napfényes területeket a melegebb mérési értékek érdekében. Az egyik hely a legmelegebb, a másik a leghidegebb?
• Extra: Készítsen skálát a hőmérőjén (más néven “kalibrálja” a hőmérőt) egy boltban vásárolt hőmérő segítségével. Fel tudnád használni azt a tényt, hogy ebben a hőmérséklettartományban az alkohol minden megszerzett hőmérsékleti fokkal egyenlő mértékben tágul, hogy megkönnyítsd a kalibrálást?
• Extra: Ezt a hőmérőt egy adott szívószál szélességgel készítetted. Próbálj meg egy ugyanilyen hőmérőt készíteni, most keskenyebb vagy szélesebb szívószállal. Mit gondolsz, miben különböznek majd a mérések? Ez az új hőmérő pontosabb vagy kevésbé pontos lesz az első hőmérődhöz képest?
• Extra: Ehhez a hőmérőhöz dörzsölő alkoholt használtál. Próbálj meg egy ugyanilyen hőmérőt készíteni, most vízzel mint folyadékkal. A vízzel ellentétben, amely 0 C fokon fagy meg és 100 C fokon forr, a dörzsölőalkohol -89 C fokon fagy meg és 82,5 C fokon forr. Mi a helyzet a konyhában, ha valamit főzni akarsz a tűzhelyen?

Megfigyelések és eredmények
Láttad, hogy a folyadék emelkedik, amikor melegítetted a tartályt, és csökken, amikor lehűtötted?

Amint a folyadék hőmérséklete a tartályban nő, kitágul, és a folyadék csak felfelé tud menni a szűk csőben. Ha a folyadék hőmérséklete csökken, akkor összehúzódik, ezáltal több folyadék gyűlik össze a tartályban. A keskeny csőben lévő szint ekkor visszaesik egy alacsonyabb szintre. A hőmérő megépítése után a keskeny csőben lévő minden szint pontosan egy folyadékmennyiségnek, és így pontosan egy hőmérsékletnek felel meg.

A keskenyebb cső (szalmaszál) pontosabb hőmérőt eredményez, mivel a folyadék azonos tágulása vagy összehúzódása hosszabb távon okoz emelkedést vagy csökkenést. Hátrányként a keskeny szívószál csökkentheti a hőmérő által elérhető maximális hőmérsékletet.

A hőmérő tartályát különböző folyadékok tölthetik meg. A folyadék kiválasztásakor figyelembe kell venni, hogy a folyadék mennyit tágul minden egyes megszerzett hőmérsékleti fokkal, valamint a fagyási és forráspontját.

Tisztítás
A hőmérőben lévő dörzsölőalkohol ártalmatlanításához öntse az alkoholt a mosogatóba bő folyó vízzel. Jól öblítsd le, hogy ne maradjon alkohol a csőben.

Még több felfedeznivaló
Thermikus tágulás, a Physics4kids.com oldalról
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, a Science Buddies oldalról
Thermométer, a PBS Kids oldalról

Ez a tevékenység a Science Buddies együttműködésével jött létre

.