Măsurați cu un termometru făcut în casă

Concepte cheie
Temperatură
Măsurare
Dilatație termică

Introducere
Sunteți uneori dornici să înțelegeți cum funcționează lucrurile? Sau sunteți entuziasmat de ideea de a vă confecționa singur obiecte și instrumente utile? V-ați imaginat vreodată că ați putea să vă construiți propriul termometru cu lichid? Îl vei putea folosi pentru a urmări cum variază temperaturile în funcție de locație – în interior sau în aer liber. Care se va dovedi a fi cel mai cald loc din casa ta? Dar cel mai răcoros? Propriul tău termometru de casă îți va putea spune!

Background
Termometrele umplute cu lichid au fost folosite de secole pentru a măsura temperatura. Ele constau dintr-un rezervor umplut cu lichid la capătul unui tub îngust. Dacă temperatura lichidului din rezervor crește, acesta se dilată și se ridică în tubul îngust. Când lichidul se răcește, acesta se contractă, permițând lichidului din tub să coboare la un nivel inferior. Prin urmare, un nivel ridicat al lichidului din tub indică o temperatură mai ridicată, iar un nivel scăzut indică o temperatură mai scăzută. La calibrarea termometrului, temperaturile specifice care corespund nivelurilor de lichid din tubul îngust sunt marcate pe partea exterioară a tubului. Acum înțelegeți cum funcționează un termometru cu lichid, dar de ce funcționează?

Științii se referă la tendința materiei de a-și schimba volumul ca urmare a unei schimbări de temperatură ca „expansiune și contracție termică”. Gazele se dilată și se contractă drastic. Fluidele se dilată și se contractă, de asemenea, dar modificarea volumului lor este mai moderată. Chiar și solidele își schimbă volumul atunci când sunt încălzite sau răcite. De exemplu, podurile sunt un pic mai lungi într-o zi călduroasă. Totuși, schimbarea de volum a solidelor este prea subtilă pentru a funcționa într-un termometru obișnuit. Acum că ați înțeles mai multe despre termometrele cu lichide, este timpul să începeți să realizați efectiv unul!

Materiale

• Pipa de băut din plastic transparent
• Rigla
• Marker permanent cu vârf fin
• Sticlă de plastic mică, cu gât îngust, cu capac (Sticlele mici, cum ar fi cele pentru medicamente, pentru colorarea alimentelor sau pentru extractul de vanilie funcționează bine.)
• Apă
• Alcool de frecat (Lucrați într-o încăpere bine ventilată și nu lăsați sticla de alcool de frecat descoperită.)
• Câteva picături sau colorant alimentar roșu, albastru sau verde (Colorantul alimentar lichid funcționează cel mai bine.)
• Servețele de hârtie
• Amestec de modelare
• Gotărașcă sau seringă pentru medicamente
• Cuptor mic
• Apă caldă
• Cuburi de gheață
• Stoc.termometru cumpărat (opțional)

Preparare

• Golosiți și spălați vasul mic, sticlă de plastic.
• Paiul transparent de băut va deveni tubul îngust al termometrului. Folosiți un marker permanent pentru a face mici semne pe pai, de sus în jos, la intervale de o jumătate de centimetru. Aceste semne vor servi ca marcaje de nivel pe termometrul dumneavoastră.
• Cleiul de modelaj va sigila gâtul sticlei și va ține paiul la locul lui. Modelați argila până când o simțiți moale și elastică; apoi formați o minge și împingeți-o la suprafață. Această bucată rotundă și plată de lut ar trebui să fie mai mare decât gâtul sticlei dumneavoastră. Folosiți paiul pentru a face o gaură în mijlocul acestei bucăți rotunde de lut, suficient de mare pentru a permite paiului să treacă prin ea. Îndepărtați orice argilă care înfundă paiul.

Procedură

• Adaugați alcool în sticlă, umplând-o cam până la jumătate. (Redeschideți imediat sticla de alcool de frecare pentru a minimiza expunerea la vapori și evaporare.)
• Adaugați câteva picături de colorant alimentar în alcool, închideți sticla și agitați-o pentru ca lichidele să se amestece bine. De ce credeți că este important să colorați lichidul?
• Umpleți un picurător de medicamente sau o seringă cu alcoolul de frecat colorat. Așezați cu grijă picuratorul de medicamente sau seringa deoparte, de preferință pe un prosop de hârtie, în cazul în care se scurge vreun lichid. În cazul în care nivelul lichidului din flaconul dumneavoastră a scăzut sub un sfert, mai adăugați puțin alcool de frecare în flacon astfel încât nivelul să fie între un sfert și jumătatea flaconului.
• Înfigeți paiul prin gaura din lutul de modelaj și așezați lutul pe gâtul flaconului astfel încât paiul să atârne în flacon. Reglați paiul astfel încât capătul să fie scufundat în lichid, dar să nu atingă fundul sticlei. Cea mai mare parte a paiului va ieși din sticlă. De ce credeți că paiul nu trebuie să atingă fundul sticlei?
• Utilizați lut de modelaj pentru a sigila deschiderea sticlei și pentru a ține paiul la locul lui. Important: Asigurați-vă că lutul formează un sigiliu strâns în jurul paiului și peste gura sticlei din sticlă, dar nu închideți deschiderea paiului. Aerul nu trebuie să poată intra în sticlă. Vă puteți gândi la un motiv pentru care acest lucru este atât de important?
• Picurați conținutul din picurător sau seringa de medicamente – picătură cu picătură – în pai. Ce se întâmplă? Acest lichid urcă pe pai și rămâne acolo?
• Pentru că nu poate ieși aer din sticlă, presiunea aerului din interior menține constant nivelul lichidului și se poate forma o coloană de lichid în pai. Lichidul care se scurge pe pai în rezervor indică o defecțiune a garniturii de etanșare în partea superioară a sticlei. Dacă se întâmplă acest lucru, asigurați-vă că argila formează un sigiliu etanș la gâtul sticlei și în jurul paiului și încercați din nou.
• Nivelul lichidului din coloană ar trebui să ajungă aproximativ la jumătatea părții vizibile a paiului. Dacă este necesar, folosiți picuratorul sau seringa pentru a adăuga mai mult alcool (necolorat este bine de data aceasta) în pai.
• Observați nivelul lichidului din pai. Acest nivel indică temperatura camerei. Folosiți markerul permanent pentru a face un mic simbol care să indice acest nivel al lichidului pe paiul dumneavoastră.
• Pentru a testa termometrul de casă, țineți-vă mâinile în jurul bazei sticlei și observați ce se întâmplă. Aveți răbdare, s-ar putea să dureze puțin timp până când lichidul din rezervor se adaptează la noua sa situație. Se schimbă nivelul lichidului din pai? Se schimbă mult sau doar puțin? De ce credeți că se întâmplă acest lucru?
• Cât de mult se va schimba nivelul lichidului pe măsură ce încălziți considerabil rezervorul? Adăugați puțină apă de la robinet la temperatură medie într-un bol mic și puneți rezervorul termometrului în apă. Lăsați termometrul să lucreze puțin timp. Cum se modifică nivelul fluidului din pai? S-a schimbat mai mult decât atunci când ați încălzit sticla cu mâinile? Asigurați-vă că sunteți foarte atenți și scoateți termometrul din baia de apă dacă lichidul se ridică la un nivel apropiat de marginea superioară a paiului dumneavoastră. Ce credeți că ar putea face ca lichidul să curgă peste marginea paiului? Ce ați putea schimba la termometrul dumneavoastră pentru a preveni acest lucru?
• Ce credeți că se va întâmpla atunci când rezervorul se va răci până la o temperatură mai mică decât temperatura camerei?
• Înlocuiți apa mediu-încălzită din bol cu apă rece. Adăugați cuburi de gheață în apă astfel încât apa să se răcească la 0 grade Celsius (32 grade Fahrenheit). Așezați rezervorul termometrului în apa rece ca gheața și lăsați termometrul să se adapteze la noua sa situație. Ce se întâmplă? Este similar sau diferit de ceea ce vă așteptați? Ar putea această măsurătoare să vă ajute să adăugați o scală la termometrul dumneavoastră?
• Luați termometrul într-un tur al casei sau al curții dumneavoastră. Nu uitați să îi acordați timp să reacționeze la fiecare mediu nou, ținând cont de faptul că s-ar putea să nu existe diferențe notabile dacă temperatura este relativ similară în diferite locuri. Sfat: Căutați zonele cu lumină directă a soarelui pentru citiri mai calde. Un loc este cel mai cald? Dar cel mai rece?
• Extra: Faceți o scală pe termometrul dumneavoastră (numită și „calibrarea” termometrului) cu ajutorul unui termometru cumpărat din magazin. Ați putea folosi faptul că, în acest interval de temperatură, alcoolul se dilată cu cantități egale pentru fiecare grad câștigat în temperatură pentru a ușura calibrarea?
• Extra: Ați creat acest termometru cu o anumită lățime a paiului. Încercați să construiți un termometru identic, acum cu un pai mai îngust sau mai lat. Cum vă așteptați ca măsurătorile să fie diferite? Va fi acest nou termometru mai mult sau mai puțin precis în comparație cu primul dvs. termometru?
• Extra: Ați folosit alcool de frecare pentru acest termometru. Încercați să realizați un termometru identic, folosind acum apa ca lichid. Spre deosebire de apă, care îngheață la 0 grade C și fierbe la 100 grade C, alcoolul de frecat îngheață la -89 grade C și fierbe la 82,5 grade C. Ce fluid ați alege pentru a face un termometru care să măsoare temperatura din congelatorul dumneavoastră? Dar în bucătărie pentru a găti ceva pe aragaz?

Observații și rezultate
Ai văzut lichidul crescând pe măsură ce încălzeai rezervorul și scăzând pe măsură ce îl răceai?

Ca urmare a creșterii temperaturii lichidului din rezervor, acesta se dilată, iar singurul loc în care lichidul se poate duce este în sus pe tubul îngust. Dacă temperatura lichidului scade, acesta se contractă, permițând astfel ca mai mult lichid să se adune în rezervor. Nivelul din tubul îngust scade apoi la un nivel mai mic. Odată construit un termometru, fiecare nivel din tubul îngust corespunde exact unui volum de lichid și, prin urmare, exact unei temperaturi.

Un tub mai îngust (pai) are ca rezultat un termometru mai precis, deoarece aceeași expansiune sau contracție a lichidului va provoca o creștere sau o scădere pe o distanță mai mare. Ca un dezavantaj, paiul îngust ar putea scădea temperatura maximă pe care termometrul o poate atinge.

Diferite lichide pot umple rezervorul unui termometru. Cât de mult se dilată lichidul pentru fiecare grad câștigat în temperatură, precum și punctul său de congelare și de fierbere sunt toți factori care trebuie luați în considerare atunci când se alege un lichid pentru un termometru lichid.

Curățarea
Pentru a elimina alcoolul din termometru, turnați alcoolul în chiuvetă cu multă apă curentă. Trageți bine apa, astfel încât să nu rămână alcool în țeavă.

Mai multe de explorat
Thermal Expansion, de pe Physics4kids.com
Balloon Morphing: How Gases Contract and Expand, de pe Science Buddies
Thermometru, de pe PBS Kids

Această activitate vă este oferită în parteneriat cu Science Buddies

.