Mät upp med en hemmagjord termometer

Nyckelbegrepp
Temperatur
Mätning
Thermisk expansion

Introduktion
Är du ibland ivrig att förstå hur saker och ting fungerar? Eller är du ivrig att själv tillverka användbara föremål och instrument? Har du någonsin föreställt dig att du skulle kunna bygga din egen vätsketermometer? Du kommer att kunna använda den för att spåra hur temperaturen varierar med platsen – inomhus eller utomhus. Vad kommer att visa sig vara den varmaste platsen i ditt hem? Hur är det med den svalaste? Din egen hemmagjorda termometer kommer att kunna berätta det!

Bakgrund
Vätskefyllda termometrar har använts i århundraden för att mäta temperaturen. De består av en vätskefylld behållare i slutet av ett smalt rör. Om temperaturen på vätskan i behållaren ökar expanderar den och stiger upp i det smala röret. När vätskan svalnar drar den ihop sig, vilket gör att vätskan i röret sjunker till en lägre nivå. Därför tyder höga nivåer av vätska i röret på en högre temperatur och låga nivåer på en lägre temperatur. När termometern kalibreras markeras de specifika temperaturer som motsvarar vätskenivåerna i det smala röret på utsidan av röret. Nu förstår du hur en vätsketermometer fungerar, men varför fungerar den?

Vetenskapsmännen kallar materiens tendens att ändra volym till följd av en temperaturförändring för ”termisk expansion och kontraktion”. Gaser expanderar och drar ihop sig drastiskt. Vätskor expanderar och krymper också, men deras volymförändring är mer måttlig. Även fasta ämnen ändrar volym när de värms upp eller kyls ned. Till exempel är broar lite längre en varm dag. Volymförändringen hos fasta ämnen är dock för subtil för att fungera i en vanlig termometer. Nu när du förstår mer om vätsketermometrar är det dags att börja göra en sådan!

Material

• Visst dricksrör i plast
• Linjaler
• Finspetsig permanent tuschpenna
• Engråhalsad, liten plastflaska med lock (Små flaskor, t.ex. för mediciner, matfärgning eller vaniljeextrakt, fungerar bra.)
• Vatten
• Rubbningsalkohol (Arbeta i ett välventilerat rum och lämna inte flaskan med rubbningsalkohol utan täckning.)
• Ett par droppar röd, blå eller grön matfärg (flytande matfärg fungerar bäst.)
• Pappershanddukar
• Modelleringslera
• Medicindropp eller spruta
• En liten skål
• Varmt vatten
• Isbitar
• Store-köpt termometer (valfritt)

Förberedelse

• Töm och tvätta den lilla, plastflaska.
• Det genomskinliga sugröret blir termometerns smala rör. Använd en permanent markeringspenna för att göra små märken på sugröret, från toppen och nedåt, med halvcentimeters mellanrum. Dessa märken kommer att fungera som nivåmarkeringar på din termometer.
• Modelleringslera kommer att försegla flaskhalsen och hålla sugröret på plats. Forma leran tills den känns mjuk och elastisk; forma sedan en boll och tryck den platt. Denna runda platta lerbit ska vara större än flaskans hals. Använd ditt sugrör för att slå ett hål i mitten av den runda leran, precis tillräckligt stort för att sugröret ska kunna gå igenom. Ta bort all lera som täpper till sugröret.

Procedur

• Häll i rubbing alcohol i flaskan och fyll den ungefär halvvägs upp. (Återförslut flaskan med sprit omedelbart för att minimera exponering för ångor och avdunstning.)
• Häll ett par droppar matfärg i spriten, stäng flaskan och skaka den så att vätskorna blandas väl. Varför tror du att det är viktigt att färga vätskan?
• Fyll en medicindropp eller spruta med den färgade spriten. Ställ försiktigt medicindropparna eller sprutan åt sidan, helst på en pappershandduk ifall någon vätska skulle läcka ut. Om vätskenivån i din flaska skulle ha sjunkit till under en fjärdedel, tillsätt lite mer sprit i flaskan så att vätskenivån är en fjärdedel till halvvägs upp i flaskan.
• Stick sugröret genom hålet i din modelleringslera och placera leran på flaskhalsen så att sugröret hänger i flaskan. Justera sugröret så att änden är nedsänkt i vätskan men inte rör flaskans botten. Större delen av sugröret kommer att sticka ut ur flaskan. Varför tror du att sugröret inte får röra botten av flaskan?
• Använd modelleringslera för att försegla flaskans öppning och för att hålla sugröret på plats. Viktigt: Se till att leran bildar en tät förslutning runt sugröret och över flaskmynningen i flaskan, men stäng inte sugrörets öppning. Luft ska inte kunna komma in i flaskan. Kan du komma på en anledning till varför detta är så viktigt?
• Droppa innehållet i din medicindropp eller spruta – droppe för droppe – i sugröret. Vad händer? Stiger denna vätska upp i sugröret och stannar där?
• Då ingen luft kan strömma ut ur flaskan håller lufttrycket i flaskan vätskenivån konstant och en vätskekolonn kan byggas upp i sugröret. Vätska som rinner ner från sugröret till reservoaren tyder på att tätningen i flaskans topp har misslyckats. Om detta inträffar, se till att leran bildar en lufttät förslutning vid flaskhalsen och runt sugröret och försök igen.
• Vätskenivån i kolonnen ska nå ungefär halvvägs upp till den synliga delen av sugröret. Använd vid behov dropparen eller sprutan för att tillsätta mer alkohol (ofärgad går bra den här gången) i sugröret.
• Observera vätskenivån i sugröret. Denna nivå anger rumstemperaturen. Använd den permanenta tuschpennan för att göra en liten symbol som anger denna vätskenivå på ditt sugrör.
• För att testa den hemmagjorda termometern håller du händerna runt flaskans botten och observerar vad som händer. Ha tålamod, det kan ta lite tid innan vätskan i behållaren anpassar sig till sin nya situation. Förändras vätskenivån i sugröret? Förändras den mycket eller bara lite? Varför tror du att detta händer?
• Hur mycket kommer vätskenivån att förändras när du värmer upp reservoaren avsevärt? Lägg lite medelvarmt kranvatten i en liten skål och placera termometerbehållaren i vattnet. Ge termometern lite tid att verka. Hur förändras vätskenivån i sugröret? Förändrades den mer än när du värmde upp flaskan med händerna? Var noga med att vara uppmärksam och ta ut termometern ur vattenbadet om vätskan stiger till en nivå nära sugrörets överkant. Vad tror du kan orsaka att vätskan rinner över kanten på sugröret? Vad skulle du kunna ändra på din termometer för att förhindra att detta händer?
• Vad tror du kommer att hända när behållaren svalnar till en temperatur under rumstemperatur?
• Ersätt det medelvarma vattnet i skålen med kallt vatten. Lägg isbitar i vattnet så att vattnet svalnar till 0 grader Celsius (32 grader Fahrenheit). Placera termometerbehållaren i det iskalla vattnet och låt termometern anpassa sig till den nya situationen. Vad händer? Är det liknande eller annorlunda än vad du förväntade dig? Kan denna mätning hjälpa dig att lägga till en skala till din termometer?
• Ta med din termometer på en rundtur i ditt hem eller på din gård. Kom ihåg att ge den tid att reagera på varje ny miljö, och tänk på att det kanske inte blir några märkbara skillnader om temperaturen är relativt likartad på olika ställen. Tips: Leta efter områden med direkt solljus för varmare mätvärden. Är en plats den varmaste eller den svalaste?
• Extra: Gör en skala på din termometer (även kallad ”kalibrering” av termometern) med hjälp av en köpt termometer. Kan du använda det faktum att alkohol i detta temperaturområde expanderar lika mycket för varje vunnen grad i temperatur för att underlätta kalibreringen?
• Extra: Du skapade den här termometern med en viss bredd på halmen. Försök att bygga en identisk termometer, nu med ett smalare eller bredare sugrör. Hur förväntar du dig att mätningarna kommer att skilja sig åt? Kommer denna nya termometer att vara mer eller mindre exakt jämfört med din första termometer?
• Extra: Du använde alkohol till den här termometern. Försök att göra en identisk termometer, nu med vatten som vätska. Till skillnad från vatten, som fryser vid 0 grader C och kokar vid 100 grader C, fryser sprit vid -89 grader C och kokar vid 82,5 grader C. Vilken vätska skulle du välja för att göra en termometer för att mäta temperaturen i din frys? Och i köket för att laga något på spisen?

Observationer och resultat
Såg du att vätskan steg när du värmde upp behållaren och sjönk när du kylde den?

När temperaturen på vätskan i behållaren ökar expanderar den, och den enda plats som vätskan kan ta sig till är uppåt i det smala röret. Om vätskans temperatur sjunker drar den ihop sig, vilket gör att mer vätska kan samlas i reservoaren. Nivån i det smala röret sjunker då tillbaka till en lägre nivå. När en termometer väl är byggd motsvarar varje nivå i det smala röret exakt en volym vätska och därmed exakt en temperatur.

Ett smalare rör (sugrör) ger en mer exakt termometer eftersom samma expansion eller sammandragning av vätska kommer att orsaka en höjning eller sänkning över en längre sträcka. Som en nackdel kan det smala stråket minska den maximala temperatur som termometern kan nå.

Vissa vätskor kan fylla termometerns behållare. Hur mycket vätskan expanderar för varje vunnen grad i temperatur samt dess fryspunkt och kokpunkt är alla faktorer att ta hänsyn till när man väljer en vätska för en vätsketermometer.

Rengöring
Om du vill göra dig av med alkoholen i termometern, häller du alkoholen i en diskbänk med rikligt med rinnande vatten. Spola ordentligt så att ingen alkohol blir kvar i röret.

Mer att utforska
Termisk expansion, från Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contracting and Expand, från Science Buddies
Thermometer, från PBS Kids

Denna aktivitet kommer till dig i samarbete med Science Buddies