Kluczowe pojęcia
Temperatura
Pomiar
Rozszerzalność cieplna
Wprowadzenie
Czy czasami chcesz zrozumieć, jak działają różne rzeczy? Albo ekscytuje Cię samodzielne tworzenie użytecznych przedmiotów i przyrządów? Czy kiedykolwiek wyobrażałeś sobie, że możesz zbudować swój własny termometr cieczowy? Będziesz mógł użyć go do śledzenia, jak zmienia się temperatura w zależności od miejsca – na zewnątrz lub wewnątrz. Które miejsce w Twoim domu okaże się najgorętsze? A może najchłodniejsze? Twój własny termometr domowej roboty będzie w stanie Ci to powiedzieć!
Kontekst
Termometry wypełnione cieczą były używane od wieków do pomiaru temperatury. Składają się one z wypełnionego cieczą zbiornika na końcu wąskiej rurki. Jeśli temperatura cieczy w zbiorniku wzrasta, rozszerza się i wznosi się do wąskiej rurki. Kiedy ciecz się ochładza, kurczy się, pozwalając cieczy w rurce opaść na niższy poziom. Dlatego wysoki poziom cieczy w rurce wskazuje wyższą temperaturę, a niski poziom wskazuje niższą temperaturę. Podczas kalibracji termometru, konkretne temperatury odpowiadające poziomom cieczy w wąskiej rurce są zaznaczone na zewnętrznej stronie rurki. Teraz rozumiesz, jak działa termometr cieczowy, ale dlaczego on działa?
Naukowcy odnoszą się do tendencji materii do zmiany objętości w wyniku zmiany temperatury jako „rozszerzalności cieplnej i kurczenia się”. Gazy rozszerzają się i kurczą drastycznie. Płyny również rozszerzają się i kurczą, ale ich zmiana objętości jest bardziej umiarkowana. Nawet ciała stałe zmieniają objętość, gdy są ogrzewane lub schładzane. Na przykład, mosty są nieco dłuższe w gorący dzień. Zmiana objętości ciał stałych jest jednak zbyt subtelna, aby mogła być wykorzystana w codziennym termometrze. Teraz, gdy rozumiesz więcej o termometrach cieczowych, nadszedł czas, aby zacząć faktycznie robić jeden z nich!
Materiały
- Przezroczysta plastikowa słomka do picia
- Rolka
- Drobno zakończony marker permanentny
- Mała plastikowa butelka o wąskiej szyjce z pokrywką (Małe butelki, takie jak te do leków, barwników spożywczych lub ekstraktu waniliowego działają dobrze.)
- Woda
- Alkohol do nacierania (Pracować w dobrze wentylowanym pomieszczeniu i nie zostawiać butelki z alkoholem do nacierania odkrytej.)
- Kilka kropli lub czerwony, niebieski lub zielony barwnik spożywczy (Płynny barwnik spożywczy działa najlepiej.)
- Papierowe ręczniki
- Glinka modelarska
- Kropidło lekarskie lub strzykawka
- Mała miska
- Ciepła woda
- Kostki lodu
- Kupiony w sklepiekupiony termometr (opcjonalnie)
Przygotowanie
- Opróżnij i umyj małą, plastikową butelkę.
- Przezroczysta słomka do picia stanie się wąską rurką twojego termometru. Użyj markera permanentnego, aby zrobić małe znaki na słomce, od góry w dół, w półcentymetrowych odstępach. Te znaki posłużą jako oznaczenia poziomu na termometrze.
- Glinka do modelowania uszczelni szyjkę butelki i utrzyma słomkę na miejscu. Uformuj glinę, aż poczuje się miękka i elastyczna; następnie uformuj kulę i naciśnij ją na płasko. Ten okrągły, płaski kawałek gliny powinien być większy niż szyjka butelki. Użyj słomki, aby wybić dziurę w środku tego okrągłego kawałka gliny, na tyle dużą, aby słomka mogła przez nią przejść. Usuń każdą glinę zatykającą słomkę.
Procedura
- Dodaj alkohol do butelki, wypełniając ją mniej więcej do połowy. (Natychmiast zamknij ponownie butelkę z alkoholem, aby zminimalizować narażenie na opary i parowanie.)
- Dodaj kilka kropli barwnika spożywczego do alkoholu, zamknij butelkę i potrząśnij nią, aby płyny dobrze się wymieszały. Dlaczego uważasz, że ważne jest zabarwienie cieczy?
- Napełnij kroplomierz lekarski lub strzykawkę zabarwionym alkoholem spożywczym. Ostrożnie odstaw kroplomierz lekarski lub strzykawkę na bok, najlepiej na ręczniku papierowym, na wypadek gdyby jakiś płyn wyciekł. W przypadku, gdy poziom cieczy w butelce spadł poniżej jednej czwartej drogi w górę, dodać trochę więcej alkoholu do butelki tak, że poziom jest jedna czwarta do połowy butelki.
- Poke słomy przez otwór w modelinie i umieścić gliny na szyi butelki tak słomy wisi w butelce. Wyreguluj słomkę tak, aby jej koniec był zanurzony w płynie, ale nie dotykał dna butelki. Większa część słomki będzie wystawać z butelki. Dlaczego uważasz, że słomka nie powinna dotykać dna butelki?
- Użyj modeliny, aby uszczelnić otwór butelki i przytrzymać słomkę na miejscu. Ważne: Upewnij się, że glina tworzy szczelne zamknięcie wokół słomki i nad ustami butelki, ale nie zamykaj otworu słomki. Powietrze nie powinno mieć możliwości dostania się do butelki. Czy możesz wymyślić powód, dla którego jest to takie ważne?
- Wprowadź zawartość swojego zakraplacza lub strzykawki – kropla po kropli – do słomki. Co się dzieje? Czy ten płyn unosi się w górę słomki i tam pozostaje?
- Ponieważ żadne powietrze nie może wypłynąć z butelki, ciśnienie powietrza wewnątrz utrzymuje poziom płynu na stałym poziomie i kolumna płynu może budować się w słomce. Ciecz spływająca po słomce do zbiornika wskazuje na uszkodzenie uszczelki na górze butelki. Jeśli tak się stanie, upewnij się, że glinka tworzy szczelne zamknięcie na szyjce butelki i wokół słomki i spróbuj ponownie.
- Poziom płynu w kolumnie powinien sięgać mniej więcej do połowy widocznej części słomki. Jeśli to konieczne, użyj kroplomierza lub strzykawki, aby dodać więcej alkoholu (niebarwiony jest w porządku tym razem) do słomki.
- Obserwuj poziom płynu w słomce. Ten poziom wskazuje temperaturę pokojową. Użyj markera permanentnego, aby zrobić mały symbol wskazujący ten poziom płynu na twojej słomce.
- Aby przetestować domowej roboty termometr, trzymaj ręce wokół podstawy butelki i obserwuj co się dzieje. Bądź cierpliwy, może minąć trochę czasu, zanim płyn w zbiorniku dostosuje się do nowej sytuacji. Czy poziom płynu w słomce się zmienia? Czy zmienia się dużo, czy tylko trochę? Jak myślisz, dlaczego tak się dzieje?
- Jak bardzo zmieni się poziom płynu, gdy znacznie podgrzejesz zbiornik? Dodaj trochę średnio ciepłej wody z kranu do małej miski i umieść w niej zbiornik termometru. Daj termometrowi trochę czasu na pracę. Jak zmienił się poziom płynu w słomce? Czy zmienił się bardziej niż po ogrzaniu butelki rękami? Zwróć uwagę i wyjmij termometr z kąpieli wodnej, jeśli poziom płynu wzrośnie do górnej krawędzi słomki. Jak sądzisz, co mogło spowodować, że płyn wypłynął poza krawędź słomki? Co mógłbyś zmienić w swoim termometrze, aby temu zapobiec?
- Co się stanie, gdy zbiornik ostygnie do temperatury poniżej temperatury pokojowej?
- Zastąp średnio gorącą wodę w misce zimną wodą. Dodaj kostki lodu do wody tak, aby woda ochłodziła się do 0 stopni Celsjusza (32 stopni Fahrenheita). Umieść zbiornik termometru w lodowatej wodzie i pozwól termometrowi dostosować się do nowej sytuacji. Co się dzieje? Czy jest to podobne czy inne niż oczekiwałeś? Czy ten pomiar może pomóc ci dodać skalę do twojego termometru?
- Zabierz swój termometr na wycieczkę po swoim domu lub podwórku. Pamiętaj, aby dać mu czas na zareagowanie na każde nowe środowisko, pamiętając, że mogą nie być zauważalne różnice, jeśli temperatura jest stosunkowo podobna w różnych miejscach. Wskazówka: Poszukaj obszarów bezpośrednio nasłonecznionych, aby uzyskać cieplejsze odczyty. Czy jedno miejsce jest najcieplejsze, a drugie najchłodniejsze?
- Dodatkowo: Wykonaj skalę na swoim termometrze (zwaną również „kalibracją” termometru) z pomocą kupionego w sklepie termometru. Czy mógłbyś wykorzystać fakt, że w tym zakresie temperatur, alkohol rozszerza się o równe ilości na każdy zyskany stopień w temperaturze, aby ułatwić kalibrację?
- Extra: Stworzyłeś ten termometr z określoną szerokością słomki. Spróbuj zbudować identyczny termometr, teraz z węższą lub szerszą słomką. Jak spodziewasz się, że pomiary będą się różnić? Czy ten nowy termometr będzie bardziej czy mniej dokładny w porównaniu z twoim pierwszym termometrem?
- Extra: Do wykonania tego termometru użyłeś alkoholu trzeciowego. Spróbuj wykonać identyczny termometr, używając teraz wody jako płynu. W przeciwieństwie do wody, która zamarza w temperaturze 0 stopni C, a wrze w temperaturze 100 stopni C, alkohol zamarza w temperaturze -89 stopni C, a wrze w temperaturze 82,5 stopni C. Który płyn wybrałbyś do wykonania termometru mierzącego temperaturę w zamrażarce? A może w kuchni, aby ugotować coś na kuchence?
Obserwacje i wyniki
Czy zauważyłeś, że ciecz podnosi się, gdy ogrzewałeś zbiornik i opada, gdy go schładzałeś?
Jak temperatura cieczy w zbiorniku wzrasta, rozszerza się i jedynym miejscem, do którego ciecz może się dostać, jest wąska rurka. Jeśli temperatura cieczy zmniejsza się, to skurcze, pozwalając tym samym więcej cieczy do zbierania w zbiorniku. Poziom w wąskiej rurce spada wtedy z powrotem do niższego poziomu. Gdy termometr jest zbudowany, każdy poziom w wąskiej rurce odpowiada dokładnie jednej objętości cieczy, a więc dokładnie jednej temperatury.
Węższa rurka (słomka) powoduje dokładniejszy termometr, ponieważ ta sama ekspansja lub skurcz płynu spowoduje wzrost lub spadek na większą odległość. Jako wada, wąska słomka może zmniejszyć maksymalną temperaturę, którą termometr może osiągnąć.
Różne ciecze mogą wypełnić zbiornik termometru. To, jak bardzo ciecz rozszerza się na każdy uzyskany stopień temperatury, jak również jej temperatura zamarzania i wrzenia, to czynniki, które należy rozważyć przy wyborze płynu do termometru cieczowego.
Cleanup
Aby pozbyć się alkoholu w termometrze, należy wylać go do zlewu z dużą ilością bieżącej wody. Dobrze spłucz, aby alkohol nie pozostał w rurze.
Więcej do odkrycia
Rozszerzanie termiczne, z Physics4kids.com
Morfowanie balonu: Jak gazy kurczą się i rozszerzają, z Science Buddies
Thermometer, z PBS Kids
This activity brought to you in partnership with Science Buddies
Thermometer, z PBS Kids
Thermometer, z PBS Kids
Thermometer, z PBS Kids
Thermometer, z PBS Kids
Thermometer, z PBS Kids