مفاهیم کلیدی: دما، اندازه‌گیری، انبساط حرارتی
مشاهده‌ي علمي شماره‌ي ۱۲۴
مقدمه:
آیا علاقه‌ای به درک نحوه‌ی کار وسایل مختلف دارید؟ آیا دوست دارید بعضی از این ابزارهای مفید را بسازید؟ آیا می‌دانید که با انجام این فعالیت می‌توانید یک دماسنج مایع در خانه بسازید؟ با استفاده از این دماسنج می‌توانید تغییرات دمای نقاط مختلف خانه و خارج از منزل خود را مورد بررسی قرار دهید. گرم‌ترین و سردترین نقطه‌ی خانه‌تان کجاست؟ این دماسنج مایع را بسازید تا بتوانید به این سوال پاسخ دهید.
پیش‌زمینه:
 |
دماسنج‌های مایع قرن‌هاست که به منظور اندازه‌گیری دما به کار رفته‌اند. این دماسنج‌ها دارای یک مخزن مایع در انتهای یک لوله‌ی باریک هستند. اگر دمای مایع داخل مخزن افزایش پیدا کند منبسط می‌شود و در لوله‌ی باریک بالا می‌آید. با کاهش دما مایع داخل مخزن منقبض می‌شود و سطح مایع در لوله پایین می‌آید. بدین ترتیب ارتفاع بالای مایع در لوله به معنای دمای بالا و ارتفاع کم به معنای دمای پایین است. به منظور کالیبراسیون دماسنج، ارتفاع مایع در دماهای خاص روی لوله‌ی باریک علامت‌گذاری می‌شوند. دانشمندان به تمایل ماده به تغییر حجم در اثر تغییر دما انبساط و انقباض حرارتی می‌گویند. گازها تغییر حجم زیادی در این شرایط نشان می‌دهند. مایعات نیز دچار انبساط و انقباض می‌شوند اما میزان تغییر حجم‌شان کمتر از گازهاست. حتی مواد جامد نیز در اثر تغییر دما دچار تغییر حجم می‌شوند؛ به عنوان مثال پل‌ها در روزهای گرم کمی بلندتر می‌شوند. با این حال تغییر حجم در مواد جامد بسیار ناچیز است در نتیجه نمی‌توان از جامدات در دماسنج‌های روزمره استفاده کرد. حال که با دماسنج‌های مایع آشنا شده‌اید وقت آن رسیده است که خودتان یک دماسنج بسازید!
مواد و وسایل لازم:
یک نی پلاستیکی شفاف
خط‌کش
ماژیک با نوک ریز
یک بطری پلاستیکی کوچک که قسمت بالای آن نازک باشد.
آب
الکل (حتماً در اتاقی با سیستم تهویه‌ی مناسب با الکل کار کنید و در شیشهی الکل را باز نگذارید.)
چند قطره رنگ خوراکی قرمز، آبی و سبز (بهتر است رنگ خوراکی مایع باشد.)
حوله یا دستمال
خمیر مدل‌سازی
قطره‌چکان یا سرنگ
یک کاسه‌ی کوچک
آب داغ
چند تکه یخ
یک دماسنج آماده (اختیاری)
آماده‌سازی:
بطری کوچک پلاستیکی را خالی کنید و داخل آن را خوب بشویید.
نی شفاف به عنوان لوله‌ی باریک دماسنج شما به کار خواهد رفت. با یک ماژیک روی نی از بالا تا پایین فواصل نیم سانتیمتری را علامت‌گذاری کنید. این علامت‌ها برای اندازه‌گیری دما به کار خواهند رفت.
از خمیر مدل‌سازی برای بستن در بطری و جلوگیری از نفوذ هوا از طریق آن استفاده می‌شود. همچنین با کمک این خمیر نی محکم در جای خود قرار خواهد گرفت. خمیر مدل‌سازی که استفاده می‌کنید باید حالتی نرم و الاستیک داشته باشد؛ آن را به شکل یک توپ دربیاورید و فشار دهید تا تخت شود. این تکه‌ی تخت خمیری باید بزرگتر از در بطری باشد. با کمک نی یک سوراخ در وسط این قطعه‌ی خمیری ایجاد کنید. اگر داخل نی خمیر وارد شده است حتماً آن را دربیاورید تا راه نی بسته نشود.
روش کار:
نیمی از بطری را از الکل پر کنید. (پس از ریختن الکل در شیشهی آن را سریع ببندید تا از آزاد شدن بخار الکل در هوا جلوگیری کنید.)
چند قطره رنگ خوراکی به الکل داخل بطری اضافه کنید. در بطری را ببندید و آن را خوب تکان دهید تا رنگ در الکل یکدست شود. به نظرتان چرا الکل را رنگی می‌کنیم؟ - قطره‌چکان یا سرنگ را با الکل پر کنید. سپس قطره‌چکان یا سرنگ را با دقت بر روی یک سطح، ترجیحاً روی یک دستمال یا حوله بگذارید تا در صورت ریختن الکل مشکلی پیش نیاید. حال اگر ارتفاع مایع داخل بطری پایین‌تر از یک چهارم نیمه‌ی بالایی بطری است مقداری الکل به آن اضافه کنید تا سطح آن به یک چهارم نیمه‌ی بالایی بطری برسد.
حال نی شفاف را از داخل سوراخ قالب خمیری که ساخته‌اید رد کنید، سپس قالب خمیری را روی در بطری قرار دهید به طوری که نی داخل بطری آویزان باشد. نی را طوری تنظیم کنید که انتهای آن داخل مایع قرار بگیرد اما با کف بطری برخورد نداشته باشد. بدین ترتیب قسمت بیشتری از نی بیرون از بطری قرار خواهد گرفت. به نظر شما چرا نی نباید با انتهای بطری برخورد داشته باشد؟
قطعه‌ی خمیری که ساخته‌اید را محکم روی در بطری ببندید به طوری که هیچ روزنه‌ای برای عبور هوا باقی نماند. به نظر شما عبور نکردن هوا چه اهمیتی دارد؟
محتوای قطره‌چکان یا سرنگ خود را قطره قطره داخل نی بریزید؛ چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا ارتفاع مایع داخل نی افزایش می‌یابد؟
از آنجا که هوا نمی‌تواند از بطری خارج شود، فشار هوای داخل بطری سطح مایع را ثابت نگه می‌دارد و یک ستون مایع در نی به وجود می‌آید. اگر ارتفاع مایع داخل نی کاهش پیدا کند نشان‌دهنده‌ی این است که در بطری به خوبی بسته نشده است و هنوز راه برای عبور هوا وجود دارد. اگر این اتفاق رخ داد، مجدداً در بطری را بررسی کنید تا کاملاً بسته شود و مراحل قبل را تکرار کنید.
ارتفاع مایع داخل نی باید بالاتر از نیمی از قسمت بیرونی نی باشد. اگر ارتفاع در این حد نبود با استفاده از قطره‌چکان یا سرنگ الکل بیشتری به داخل نی بریزید.
ارتفاع مایع در نی چقدر است؟ این ارتفاع مربوط به دمای اتاق است. با ماژیک این نقطه را روی نی علامت‌گذاری کنید.
برای تست دماسنجی که ساخته‌اید، دستتان را دور قسمت پایینی بطری قرار دهید؛ چه اتفاقی می‌افتد؟ کمی صبر کنید تا مایع داخل مخزن با دمای جدید تطبیق پیدا کند. آیا ارتفاع مایع داخل نی تغییر می‌کند؟ تغییرات آن زیاد است یا کم؟ به نظرتان
چرا این اتفاق می‌افتد؟
با گرم کردن تدریجی مایع مخزن، ارتفاع مایع در نی چه میزان تغییر می‌کند؟
مقداری آب گرم داخل یک کاسه‌ی کوچک بریزید. سپس مخزن دماسنج‌تان را داخل این کاسه بگذارید. کمی صبر کنید تا مایع داخل مخزن با محیط خود هم‌دما شود. ارتفاع مایع داخل نی چه تغییری می‌کند؟ آیا تغییرات آن در مقایسه با زمانی که با دست مخزن را گرم کردید بیشتر است؟ چنانچه زمانی که مخزن داخل کاسه‌ی آب داغ قرار داشت ارتفاع مایع داخل نی خیلی زیاد شد و تقریباً به سر آن رسید، حتماً مخزن را از آب داغ خارج کنید. به نظر شما چه چیزی باعث سرریز شدن مایع از نی می‌شود؟ برای جلوگیری از این اتفاق چه تغییری در دماسنج خود می‌توانید ایجاد کنید؟
اگر دمای مخزن به پایین‌تر از دمای اتاق کاهش یابد چه اتفاقی می‌افتد؟
آب گرم داخل کاسه را خالی کنید و به جای آن آب سرد بریزید. چند قطعه یخ به آب اضافه کنید تا دمای آب به صفر درجه برسد (۳۲ درجه فارنهایت). مخزن دماسنج را داخل آب یخ بگذارید و به آن فرصت دهید تا با محیط خود هم‌دما شود. چه تغییری در ارتفاع مایع رخ می‌دهد؟ آیا این کار کمکی به شما در درجه‌بندی دماسنج‌تان می‌کند؟
دماسنج خود را به نقاط مختلف خانه یا حیاط ببرید. به خاطر داشته باشید که برای مشاهده‌ی تغییرات باید به دماسنج فرصت دهید با هر محیط جدید هم‌دما شود. در ضمن ممکن است در بعضی نقاط تغییرات ارتفاع محسوس نباشد. سردترین و گرم‌ترین نقطه‌ی منزل‌تان کجاست؟
آزمایش‌های تکمیلی:
لوله‌ی دماسنج خود را با کمک یک دماسنج آماده درجه‌بندی کنید.
شما این دماسنج را با یک نی با ضخامتی خاص ساخته‌اید. حال سعی کنید دماسنجی
دیگر به همان شکل اما با یک نی با ضخامت کمتر یا بیشتر بسازید. به نظر شما در این حالات چه تغییری در نحوه‌ی اندازه‌گیری دما به وجود می‌آید؟ دقت دماسنج جدیدتان نسبت به دماسنج قبلی بیشتر است یا کمتر؟
در این آزمایش شما از الکل برای ساخت دماسنج‌تان استفاده کردید. حال یک دماسنج به همان شکل بسازید اما به جای الکل از آب به عنوان مایع داخل مخزن استفاده کنید. آب در دمای صفر درجه سانتیگراد یخ می‌زند و در دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد می‌جوشد؛ درحالیکه الکل نقطه‌ی انجماد -۸۹ درجه سانتیگراد و نقطه‌ی جوش ۸۲/۵ دارد. به منظور اندازه‌گیری دمای فریزر از کدام مایع در دماسنج خود استفاده خواهید کرد؟
مشاهده و نتیجه‌گیری:
در این فعالیت باید مشاهده کرده باشید که با گرم کردن مخزن ارتفاع مایع داخل دماسنج بیشتر می‌شود و با سرد کردن آن کمتر. با افزایش دمای مایع داخل مخزن حجم آن افزایش می‌یابد و تنها جایی که مایع می‌تواند برود داخل نی است. اگر دمای مایع داخل مخزن کاهش پیدا کند منقبض می‌شود و درنتیجه مقدار بیشتری از مایع داخل مخزن جای می‌گیرد و ارتفاع مایع در نی پایین می‌آید. هر ارتفاع از نی نشان‌دهنده‌ی حجم مشخصی از مایع و در نتیجه دمایی خاص است. هرچه ضخامت نی کمتر باشد (نازک‌تر باشد) دقت دماسنج بیشتر است، چرا که تغییر ارتفاع بیشتری در اثر انقباض یا انبساطی خاص در این دماسنج رخ می‌دهد. نقطه ضعف نی نازک این است که به دلیل بیشتر بودن تغییر ارتفاع، میزان ماکزیمم دمایی که می‌توان با این نی اندازه گرفت در مقایسه با دماسنج‌های با نی‌های ضخیم‌تر کمتر می‌شود. از مایعات مختلفی می‌توان برای ساخت این دماسنج استفاده کرد. میزان انبساط و انقباض هر مایع در اثر افزایش یا کاهش هر درجه از دما در کنار نقاط جوش و انجماد آن معیارهایی تعیین‌کننده در انتخاب مایع مناسب برای دماسنج هستند.
تمیز کردن:
الکل استفاده شده را به همراه آب فراوان داخل سینک بریزید
منبع:
Home Thermometer
منابع مفيد:
گرماسنج گاليله
ساخت دماسنج
دما
الکل
Thermometer