Meten met een zelfgemaakte thermometer

Key concepts
Temperatuur
Meten
Thermische uitzetting

Inleiding
Wil je soms graag begrijpen hoe dingen werken? Of enthousiast om zelf nuttige voorwerpen en instrumenten te maken? Heb je ooit gedacht dat je je eigen vloeistofthermometer zou kunnen bouwen? Je kunt er mee volgen hoe de temperatuur varieert met de plaats – binnen of buiten. Wat zal de warmste plek in je huis blijken te zijn? En hoe zit het met de koelste? Uw eigen zelfgemaakte thermometer kan het u vertellen!

Achtergrond
Vloeistof-gevulde thermometers worden al eeuwenlang gebruikt om de temperatuur te meten. Ze bestaan uit een met vloeistof gevuld reservoir aan het uiteinde van een smalle buis. Als de temperatuur van de vloeistof in het reservoir stijgt, zet het uit en stijgt het in de smalle buis. Wanneer de vloeistof afkoelt, krimpt zij, waardoor de vloeistof in de buis daalt tot een lager niveau. Een hoog vloeistofniveau in het buisje wijst dus op een hogere temperatuur en een laag niveau op een lagere temperatuur. Bij het ijken van de thermometer worden de specifieke temperaturen die overeenkomen met de niveaus van de vloeistof in het smalle buisje, op de buitenkant van het buisje aangegeven. U begrijpt nu hoe een vloeistofthermometer werkt, maar waarom werkt hij?

Wetenschappers noemen de neiging van materie om van volume te veranderen als gevolg van een temperatuursverandering “thermische uitzetting en inkrimping”. Gassen zetten drastisch uit en krimpen. Vloeistoffen zetten ook uit en krimpen, maar hun volumeverandering is gematigder. Zelfs vaste stoffen veranderen van volume wanneer zij worden verwarmd of afgekoeld. Bruggen zijn bijvoorbeeld een beetje langer op een warme dag. De volumeverandering van vaste stoffen is echter te subtiel om in een alledaagse thermometer te werken. Nu je meer weet over vloeistofthermometers, is het tijd om er daadwerkelijk een te gaan maken!

Materialen

• Klaar plastic drinkrietje
• Rol liniaal
• Fijngetipte permanent marker
• Smalle, kleine, plastic fles met deksel (Kleine flesjes zoals die voor medicijnen, kleurstoffen voor levensmiddelen of vanille-extract werken goed.)
• Water
• Wrijfalcohol (Werk in een goed geventileerde ruimte, en laat de fles met wrijfalcohol niet onbedekt staan.
• Een paar druppels rode, blauwe of groene voedingskleurstof (vloeibare voedingskleurstof werkt het best.)
• Papieren handdoeken
• Bouwklei
• Medicijn druppelaar of injectiespuit
• Kleine kom
• Warm water
• Ijsblokjes
• In de winkelgekochte thermometer (optioneel)

Voorbereiding

• Leeg en was de kleine, plastic flesje.
• Het doorzichtige drinkrietje wordt het smalle buisje van je thermometer. Maak met een permanent marker kleine markeringen op het rietje, van boven naar beneden, met tussenruimten van een halve centimeter. Deze markeringen dienen als horizontale markeringen op de thermometer.
• De boetseerklei sluit de hals van de fles af en houdt het rietje op zijn plaats. Vorm de klei tot hij zacht en elastisch aanvoelt; vorm er dan een bal van en druk die plat. Dit ronde platte stuk klei moet groter zijn dan de hals van je fles. Prik met het rietje een gat in het midden van dit ronde stuk klei, net groot genoeg om het rietje erdoor te laten gaan. Verwijder klei die het rietje verstopt.

Procedure

• Voeg de fles tot ongeveer halverwege met alcohol. (Sluit de fles alcohol onmiddellijk weer af om blootstelling aan dampen en verdamping tot een minimum te beperken.)
• Voeg een paar druppels voedingskleurstof toe aan de alcohol, sluit de fles en schud zodat de vloeistoffen goed mengen. Waarom denk je dat het belangrijk is om de vloeistof te kleuren?
• Vul een medicijndruppelaar of -spuit met de gekleurde alcohol. Leg het pipet of de injectiespuit voorzichtig opzij, bij voorkeur op een papieren zakdoekje voor het geval er vloeistof uitlekt. Als het niveau van de vloeistof in je flesje lager is dan een kwart, voeg dan wat meer alcohol toe aan het flesje zodat het niveau een kwart tot halverwege het flesje is.
• Steek het rietje door het gat in je boetseerklei en plaats de klei op de hals van het flesje zodat het rietje in het flesje hangt. Stel het rietje zo af dat het uiteinde ondergedompeld is in de vloeistof, maar de bodem van de fles niet raakt. Het grootste deel van het rietje zal uit de fles steken. Waarom denkt u dat het rietje de bodem van de fles niet mag raken?
• Gebruik de boetseerklei om de opening van de fles af te dichten en het rietje op zijn plaats te houden. Belangrijk: Zorg ervoor dat de klei een goede afdichting vormt rond het rietje en over de mond van de fles, maar sluit de opening van het rietje niet af. Er mag geen lucht in de fles kunnen komen. Kun je een reden bedenken waarom dit zo belangrijk is?
• Druppel de inhoud van je medicijndruppelaar of -spuitje druppelsgewijs in het rietje. Wat gebeurt er dan? Stijgt de vloeistof door het rietje omhoog en blijft daar?
• Omdat er geen lucht uit het flesje kan stromen, houdt de luchtdruk in het flesje het vloeistofniveau constant en kan zich in het rietje een kolom vloeistof vormen. Vloeistof die door het rietje in het reservoir loopt, wijst op een defecte afdichting aan de bovenkant van de fles. Als dit gebeurt, zorg er dan voor dat de klei een luchtdichte afsluiting vormt bij de hals van de fles en rond het rietje en probeer het opnieuw.
• Het vloeistofniveau in de kolom moet ongeveer halverwege het zichtbare deel van het rietje staan. Gebruik zo nodig de druppelaar of de injectiespuit om meer alcohol (ongekleurd is prima deze keer) toe te voegen aan het rietje.
• Observeer het vloeistofniveau in het rietje. Dit niveau geeft de kamertemperatuur aan. Gebruik de permanent marker om een klein symbool op het rietje te maken dat dit vloeistofniveau aangeeft.
• Om de zelfgemaakte thermometer te testen, houdt u uw handen rond de bodem van de fles en observeert u wat er gebeurt. Wees geduldig, het kan even duren voordat de vloeistof in het reservoir zich aan de nieuwe situatie heeft aangepast. Verandert het vloeistofniveau in het rietje? Verandert het veel of een beetje? Waarom denk je dat dit gebeurt?
• Hoeveel verandert het vloeistofniveau als je het reservoir flink opwarmt? Doe wat middelheet leidingwater in een kommetje en plaats je thermometerreservoir in het water. Geef de thermometer even de tijd om te werken. Hoe verandert het vloeistofniveau in het rietje? Veranderde het meer dan toen je de fles met je handen verwarmde? Let goed op en haal de thermometer uit het waterbad als de vloeistof stijgt tot een niveau dicht bij de bovenrand van je rietje. Wat denk je dat de oorzaak kan zijn dat de vloeistof over de rand van het rietje stroomt? Wat zou je aan je thermometer kunnen veranderen om dit te voorkomen?
• Wat verwacht je dat er gebeurt als het reservoir afkoelt tot een temperatuur onder kamertemperatuur?
• Vervang het halfhete water in de kom met koud water. Voeg ijsblokjes toe aan het water, zodat het afkoelt tot 0 graden Celsius (32 graden Fahrenheit). Plaats het reservoir van uw thermometer in het ijskoude water en laat de thermometer zich aan de nieuwe situatie aanpassen. Wat gebeurt er? Is het vergelijkbaar of anders dan u verwachtte? Zou deze meting u kunnen helpen een schaalverdeling aan uw thermometer toe te voegen?
• Neem uw thermometer mee op een tocht door uw huis of tuin. Geef de thermometer de tijd om op elke nieuwe omgeving te reageren. Denk eraan dat er misschien geen merkbare verschillen zijn als de temperatuur op verschillende plaatsen relatief gelijk is. Tip: Zoek naar plaatsen met direct zonlicht voor warmere metingen. Is één plek het warmst? En hoe zit het met de koelste?
• Extra: Maak een schaalverdeling op je thermometer (ook wel het “ijken” van de thermometer genoemd) met behulp van een in de winkel gekochte thermometer. Kun je gebruik maken van het feit dat alcohol in dit temperatuurbereik bij elke graad temperatuur evenveel uitzet, om het ijken te vergemakkelijken?
• Extra: Je hebt deze thermometer gemaakt met een bepaalde breedte van het rietje. Probeer een identieke thermometer te maken, nu met een smaller of breder rietje. Hoe verwacht je dat de metingen zullen verschillen? Zal deze nieuwe thermometer nauwkeuriger of minder nauwkeurig zijn dan je eerste thermometer?
• Extra: Je hebt alcohol gebruikt voor deze thermometer. Probeer een identieke thermometer te maken, nu met water als vloeistof. In tegenstelling tot water, dat bevriest bij 0 graden C en kookt bij 100 graden C, bevriest alcohol bij -89 graden C en kookt bij 82,5 graden C. Welke vloeistof zou je kiezen om een thermometer te maken om de temperatuur in je vriezer te meten? En in de keuken om iets op het fornuis te koken?

Observaties en resultaten
Zag je de vloeistof stijgen als je het reservoir verwarmde en dalen als je het afkoelde?

Als de temperatuur van de vloeistof in het reservoir stijgt, zet het uit, en de enige plek waar de vloeistof heen kan is langs de smalle buis. Als de temperatuur van de vloeistof daalt, krimpt zij, waardoor zich meer vloeistof in het reservoir kan verzamelen. Het niveau in de smalle buis daalt dan weer tot een lager niveau. Als een thermometer eenmaal is gebouwd, komt elk niveau in het smalle buisje overeen met precies één volume vloeistof, en dus met precies één temperatuur.

Een smaller buisje (rietje) geeft een nauwkeurigere thermometer, omdat dezelfde uitzetting of inkrimping van vloeistof een stijging of daling over een langere afstand veroorzaakt. Als nadeel kan het smalle rietje de maximumtemperatuur verlagen die de thermometer kan bereiken.

Verschillende vloeistoffen kunnen het reservoir van een thermometer vullen. Hoeveel de vloeistof uitzet bij elke graad temperatuurwinst en wat het vries- en kookpunt is, zijn allemaal factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de keuze van een vloeistof voor een vloeistofthermometer.

Schoonmaken
Om de alcohol in de thermometer weg te gooien, giet u de alcohol in de gootsteen met veel stromend water. Goed doorspoelen, zodat er geen alcohol in de leiding achterblijft.

Meer om te ontdekken
Thermische uitzetting, van Physics4kids.com
Ballon Morphing: How Gases Contract and Expand, van Science Buddies
Thermometer, van PBS Kids

Deze activiteit wordt u aangeboden in samenwerking met Science Buddies