Measure Up with a Homemade Thermometer

Concetti chiave
Temperatura
Misura
Espansione termica

Introduzione
A volte sei desideroso di capire come funzionano le cose? O sei entusiasta di costruire tu stesso oggetti e strumenti utili? Hai mai immaginato di poter costruire il tuo termometro a liquido? Sarai in grado di usarlo per monitorare come variano le temperature in base al luogo, all’interno o all’esterno. Quale sarà il punto più caldo della tua casa? E il più fresco? Il tuo termometro fatto in casa sarà in grado di dirtelo!

Sfondo
I termometri a liquido sono stati usati per secoli per misurare la temperatura. Sono costituiti da un serbatoio pieno di liquido all’estremità di un tubo stretto. Se la temperatura del liquido nel serbatoio aumenta, si espande e sale nel tubo stretto. Quando il liquido si raffredda, si contrae, permettendo al liquido nel tubo di scendere ad un livello più basso. Pertanto, alti livelli di liquido nel tubo indicano una temperatura più alta e bassi livelli indicano una temperatura più bassa. Quando si calibra il termometro, le temperature specifiche corrispondenti ai livelli del liquido nel tubo stretto sono segnate all’esterno del tubo. Ora hai capito come funziona un termometro a liquido, ma perché funziona?

Gli scienziati si riferiscono alla tendenza della materia a cambiare volume come risultato di un cambiamento di temperatura come “espansione e contrazione termica”. I gas si espandono e si contraggono drasticamente. Anche i fluidi si espandono e si contraggono, ma il loro cambiamento di volume è più moderato. Anche i solidi cambiano volume quando vengono riscaldati o raffreddati. Per esempio, i ponti sono un po’ più lunghi in una giornata calda. Il cambiamento di volume dei solidi è troppo sottile, però, per funzionare in un termometro quotidiano. Ora che hai capito di più sui termometri a liquido, è il momento di iniziare a costruirne uno!

Materiali

• Paglia di plastica chiara per bere
• Ruolo
• Marcatore permanente a punta fine
• Bottiglia di plastica a collo stretto con coperchio (vanno bene le bottigliette come quelle per le medicine, i coloranti alimentari o l’estratto di vaniglia).)
• Acqua
• Alcool per strofinare (lavorare in una stanza ben ventilata e non lasciare la bottiglia di alcol per strofinare scoperta.)
• Qualche goccia di colorante alimentare rosso, blu o verde (Il colorante alimentare liquido funziona meglio.)
• Asciugamani di carta
• Argilla per modellare
• Contagocce o siringa per medicinali
• Piccola ciotola
• Acqua calda
• Cubetti di ghiaccio
• Termometro comprato in negoziotermometro comprato in negozio (opzionale)

Preparazione

• Vuota e lava la piccola bottiglia di plastica, bottiglia di plastica.
• La cannuccia trasparente diventerà il tubo stretto del tuo termometro. Usate un pennarello permanente per fare dei piccoli segni sulla cannuccia, dall’alto verso il basso, a intervalli di mezzo centimetro. Questi segni serviranno come segni di livello sul vostro termometro.
• L’argilla per modellare sigillerà il collo della bottiglia e terrà la cannuccia in posizione. Modella l’argilla fino a quando non la senti morbida ed elastica; poi forma una palla e spingila piatta. Questo pezzo rotondo e piatto di argilla dovrebbe essere più grande del collo della vostra bottiglia. Usa la tua cannuccia per fare un buco nel mezzo di questo pezzo rotondo di argilla, grande abbastanza da permettere alla cannuccia di passare attraverso. Rimuovi l’argilla che ostruisce la cannuccia.

Procedura

• Aggiungi dell’alcool alla bottiglia, riempiendola circa a metà. (Richiudere immediatamente la bottiglia di alcool per minimizzare l’esposizione ai fumi e all’evaporazione.)
• Aggiungere un paio di gocce di colorante alimentare all’alcool, chiudere la bottiglia e agitarla in modo che i liquidi si mescolino bene. Perché pensi che sia importante colorare il liquido?
• Riempi un contagocce o una siringa con l’alcol colorato. Metti attentamente da parte il contagocce o la siringa, preferibilmente su un tovagliolo di carta nel caso in cui il liquido fuoriesca. Nel caso in cui il livello del liquido nella tua bottiglia sia sceso al di sotto di un quarto della strada verso l’alto, aggiungi un po’ più di alcol alla bottiglia in modo che il livello sia da un quarto a metà della bottiglia.
• Fai passare la cannuccia attraverso il foro nella tua argilla da modellare e metti l’argilla sul collo della bottiglia in modo che la cannuccia penda nella bottiglia. Regola la cannuccia in modo che l’estremità sia immersa nel liquido ma non tocchi il fondo della bottiglia. La maggior parte della cannuccia sporgerà dalla bottiglia. Perché la cannuccia non dovrebbe toccare il fondo della bottiglia?
• Usa l’argilla per modellare per sigillare l’apertura della bottiglia e per tenere la cannuccia in posizione. Importante: assicurati che l’argilla formi un sigillo stretto intorno alla cannuccia e sopra la bocca della bottiglia, ma non chiudere l’apertura della cannuccia. L’aria non dovrebbe essere in grado di entrare nella bottiglia. Puoi pensare a una ragione per cui questo è così importante?
• Fai gocciolare il contenuto del tuo contagocce o della tua siringa, goccia a goccia, nella cannuccia. Cosa succede? Questo fluido sale sulla cannuccia e ci rimane?
• Perché l’aria non può uscire dalla bottiglia, la pressione dell’aria all’interno mantiene costante il livello del fluido e una colonna di liquido può accumularsi nella cannuccia. Il fluido che scorre lungo la cannuccia nel serbatoio indica un fallimento della guarnizione nella parte superiore della bottiglia. Se questo accade, assicuratevi che l’argilla formi un sigillo ermetico al collo della bottiglia e intorno alla cannuccia e provate di nuovo.
• Il livello del liquido nella colonna dovrebbe raggiungere circa la metà della parte visibile della cannuccia. Se necessario, usare il contagocce o la siringa per aggiungere altro alcool (non colorato va bene questa volta) alla cannuccia.
• Osserva il livello del liquido nella cannuccia. Questo livello indica la temperatura ambiente. Usa il pennarello permanente per fare un piccolo simbolo che indica questo livello di liquido sulla cannuccia.
• Per testare il termometro fatto in casa, tieni le mani intorno alla base della bottiglia e osserva cosa succede. Sii paziente, potrebbe volerci un po’ di tempo prima che il fluido nel serbatoio si adatti alla sua nuova situazione. Il livello del liquido nella cannuccia cambia? Cambia molto o poco? Perché pensate che questo accada?
• Quanto cambia il livello del fluido quando si riscalda notevolmente il serbatoio? Aggiungete dell’acqua di rubinetto mediamente calda in una piccola ciotola e mettete il serbatoio del vostro termometro nell’acqua. Date al termometro un po’ di tempo per lavorare. Come cambia il livello del liquido nella cannuccia? È cambiato più di quando hai riscaldato la bottiglia con le mani? Assicurati di prestare molta attenzione e togli il termometro dal bagno d’acqua se il fluido sale a un livello vicino al bordo superiore della cannuccia. Cosa pensi che possa causare la fuoriuscita del fluido oltre il bordo della cannuccia? Cosa potreste cambiare nel vostro termometro per evitare che questo accada?
• Cosa ti aspetti che succeda quando il serbatoio si raffredda a una temperatura inferiore a quella ambiente?
• Sostituisci l’acqua mediamente calda nella bacinella con acqua fredda. Aggiungere cubetti di ghiaccio all’acqua in modo che l’acqua si raffreddi a 0 gradi Celsius (32 gradi Fahrenheit). Metti il serbatoio del termometro nell’acqua fredda e lascia che il termometro si adatti alla nuova situazione. Cosa succede? È simile o diverso da quello che ti aspettavi? Questa misurazione potrebbe aiutarti ad aggiungere una scala al tuo termometro?
• Porta il tuo termometro a fare un giro nella tua casa o nel tuo giardino. Ricordati di dargli il tempo di rispondere ad ogni nuovo ambiente, tenendo presente che potrebbero non esserci differenze evidenti se la temperatura è relativamente simile in luoghi diversi. Suggerimento: Cerca aree di luce solare diretta per letture più calde. Un punto è il più caldo, e il più freddo?
• Extra: Fai una scala sul tuo termometro (chiamata anche “calibrazione” del termometro) con l’aiuto di un termometro comprato in negozio. Potresti usare il fatto che in questo intervallo di temperatura, l’alcol si espande di quantità uguali per ogni grado guadagnato in temperatura per rendere la calibrazione più facile?
• Extra: Hai creato questo termometro con una particolare larghezza della cannuccia. Prova a costruire un termometro identico, ora con una cannuccia più stretta o più larga. Come vi aspettate che le misure siano diverse? Questo nuovo termometro sarà più o meno preciso rispetto al tuo primo termometro?
• Extra: Hai usato l’alcol per questo termometro. Prova a fare un termometro identico, ora usando l’acqua come fluido. A differenza dell’acqua, che congela a 0 gradi C e bolle a 100 gradi C, l’alcol denaturato congela a -89 gradi C e bolle a 82,5 gradi C. Quale fluido sceglieresti per fare un termometro per misurare la temperatura nel tuo freezer? E in cucina per cucinare qualcosa sul fornello?

Osservazioni e risultati
Hai visto il liquido salire quando hai riscaldato il serbatoio e scendere quando l’hai raffreddato?

Quando la temperatura del liquido nel serbatoio aumenta, si espande, e l’unico posto dove il liquido può andare è su per il tubo stretto. Se la temperatura del liquido diminuisce, si contrae, permettendo così a più liquido di raccogliersi nel serbatoio. Il livello nel tubo stretto scende di nuovo ad un livello più basso. Una volta costruito un termometro, ogni livello nel tubo stretto corrisponde esattamente ad un volume di liquido, e quindi, esattamente ad una temperatura.

Un tubo più stretto (cannuccia) si traduce in un termometro più preciso perché la stessa espansione o contrazione del fluido causerà un aumento o una diminuzione su una distanza più lunga. Come svantaggio, la cannuccia stretta potrebbe diminuire la temperatura massima che il termometro può raggiungere.

Vari liquidi possono riempire il serbatoio di un termometro. Quanto il liquido si espande per ogni grado guadagnato in temperatura così come il suo punto di congelamento e di ebollizione sono tutti fattori da considerare quando si sceglie un fluido per un termometro liquido.

Pulizia
Per smaltire l’alcool nel termometro, versare l’alcol nel lavandino con abbondante acqua corrente. Sciacquare bene in modo che l’alcool non rimanga nel tubo.

Altro da esplorare
Espansione termica, da Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, da Science Buddies
Termometro, da PBS Kids

Questa attività vi è offerta in collaborazione con Science Buddies