Φύλλο Εργασίας 4 Μετρήσεις Θερμοκρασίας Η Βαθμονόμηση α. Παρατηρώ, Πληροφορούμαι, Ενδιαφέρομαι Οι άνθρωποι προσπαθούν να εκτιμήσουν κατά προσέγγιση ή να μετρήσουν με ακρίβεια τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, των διαφόρων σωμάτων ή και τη θερμοκρασία του σώματός τους. Πολλές φορές η μέτρηση της θερμοκρασίας είναι πολύ σημαντική για την υγεία μας, την κατάσταση των τροφίμων ή τη λειτουργία συσκευών και μηχανών. Σχολίασε σε ποια από τις παραπάνω περιπτώσεις γίνεται κατά προσέγγιση εκτίμηση της θερμοκρασίας και σε ποια γίνεται ακριβής μέτρηση; Στην 1η είναι ακριβής η μέτρηση με το θερμόμετρο ενώ στην 2η γίνεται κατά προσέγγιση εκτίμηση της θερμοκρασίας με το χέρι. β. Συζητώ, Αναρωτιέμαι, Υποθέτω Συζήτησε με τους συμμαθητές σου για το αν οι μετρήσεις της θερμοκρασίας είναι πάντα ακριβείς. Μια λανθασμένη μέτρηση της θερμοκρασίας είναι δυνατόν να οφείλεται στο θερμόμετρο που χρησιμοποιούμε ή στον τρόπο με τον οποίο μετράμε. Γράψε τις υποθέσεις. Μια λανθασμένη μέτρηση θερμοκρασίας μπορεί να οφείλεται: α) Στην κακή βαθμονόμηση του θερμομέτρου επειδή κάτι χάλασε, είτε επειδή απορυθμίστηκε. β) Στο πρόσωπο που μετρά οφείλεται στην Λανθασμένη χρήση του οργάνου μέτρησης Λανθασμένη ανάγνωση της θερμοκρασίας. αν είναι αναλογικό θερμόμετρο δεν είναι στην σωστή θέση το μάτι του αν έχουμε ψηφιακό θερμόμετρο μπορεί να δει κάποιος το 3 σαν 8. [1]
γ. Ενεργώ, Πειραματίζομαι Με τη βοήθεια του/της καθηγητή/τριάς σας, οργανώστε πειράματα για την επιβεβαίωση ή διάψευση των υποθέσεων και συγκεντρώστε τα απαραίτητα υλικά. Υλικά / Όργανα: θερμόμετρο οινοπνεύματος (με περιοχή τιμών από -10 0C έως 120 0C), πυρίμαχο δοχείο (πυρέξ), χαρτί, διαφανής αυτοκόλλητη πλαστική ταινία, νερό, παγάκια, ηλεκτρικό μάτι θέρμανσης Πείραμα 1 Βαθμονόμησε μόνος σου το θερμόμετρο το οποίο θα χρησιμοποιήσεις στη συνέχεια: Κάλυψε τις ενδείξεις του θερμομέτρου με ένα λευκό χαρτί. Κόλλησε επάνω του μια διαφανή, αυτοκόλλητη πλαστική ταινία. Ρίξε αρκετά παγάκια στο πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει νερό. Βύθισε το θερμόμετρο στο νερό με τα παγάκια, όπως φαίνεται στη διπλανή εικόνα, κοντά στην επιφάνεια του νερού. Μετά από μερικά λεπτά, παρατήρησε σε ποιο σημείο έχει σταθεροποιηθεί η στάθμη της στήλης του οινοπνεύματος. Γράψε στο αντίστοιχο σημείο τους χαρτιού την ένδειξη 0 0C. Τοποθέτησε το πυρίμαχο δοχείο το οποίο περιέχει μικρή ποσότητα νερού επάνω στο ηλεκτρικό μάτι. Άναψε το μάτι, ώστε να αρχίσει να θερμαίνεται το νερό. Όταν διαπιστώσεις ότι στο νερό δημιουργούνται σε όλη τη μάζα του φυσαλίδες και από την επιφάνειά του βγαίνουν υδρατμοί, τότε το νερό βράζει. Κρατώντας το θερμόμετρο μέσα στο νερό, παρατήρησε σε ποιο σημείο σταθεροποιείται η στάθμη της στήλης του οινοπνεύματος. Γράψε στο αντίστοιχο σημείο τους χαρτιού την ένδειξη 100 0C. Απομάκρυνε το θερμόμετρο από το νερό και σβήσε το μάτι. Σημείωσε στο χαρτί με το οποίο έχεις καλύψει το θερμόμετρο 100 μικρές γραμμές, που απέχουν ίση απόσταση μεταξύ τους, από την τιμή 0 0C έως την τιμή 100 0C που έχεις γράψει. Τώρα έχεις ένα "βαθμονομημένο" από εσένα θερμόμετρο. Βαθμονόμηση γίνεται και σε άλλα όργανα μέτρησης. Συζήτησε με τους συμμαθητές σου και με τον/την καθηγητή/τριά σου. [2]
Πείραμα 2 Κρέμασε το θερμόμετρο σε έναν τοίχο της τάξης σου. Ζήτησε από τέσσερις συμμαθητές σου να μετρήσουν τη θερμοκρασία, ο ένας μετά τον άλλο, με τον τρόπο που φαίνεται στις παρακάτω εικόνες: ο πρώτος, πλησιάζοντας πάρα πολύ το πρόσωπό του στο θερμόμετρο και αγγίζοντάς το ο δεύτερος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας οριζόντια ο τρίτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από ψηλά ο τέταρτος, χωρίς να πλησιάζει πολύ, κοιτώντας από χαμηλά, και χωρίς να λέει την τιμή που διάβασε ο καθένας στους άλλους: Τι παρατηρείς συγκρίνοντας τις τέσσερις τιμές; Συμπίπτουν ή διαφέρουν μεταξύ τους; Αν διαφέρουν, ποια θεωρείς ότι είναι η πιο ακριβής και γιατί; Αν το μάτι δεν είναι στο ίδιο ύψος με την ένδειξη του οινοπνεύματος έχουμε σφάλμα στην μέτρηση ή όταν το μάτι είναι μακριά από το όργανο δεν είναι εύκολο να πάρει το σωστό ύψος. Ακόμη είναι λάθος στην 1η φωτογραφία το χέρι που ακουμπά το θερμόμετρο. Πιο σωστή και ακριβής είναι η μέτρηση της 2ης φωτογραφίας επειδή το μάτι ΔΕΝ είναι πολύ κοντά και είναι στο ίδιο ύψος με την ένδειξη. [3]
δ. Συμπεραίνω, Καταγράφω Με βάση τις ενέργειές σου στο πείραμα 1 και τις συζητήσεις που ακολούθησαν, γράψε τα συμπεράσματά σου για τη σκοπιμότητα, μερικές φορές, και τον τρόπο βαθμονόμησης των οργάνων μέτρησης. Οι μετρήσεις θερμοκρασίας είναι δυνατό να δίνουν λανθασμένες τιμές λόγω κακής κατασκευής ή κακής βαθμονόμησης του θερμομέτρου. Η βαθμονόμηση των θερμομέτρων γίνεται με βάση κάποιες τιμές αναφοράς «φυσικές σταθερές» όπως η θερμοκρασία πήξης και βρασμού του νερού. Δηλαδή υπό κανονικές συνθήκες οι 0 ο C αντιστοιχούν στο σημείο πήξης του νερού και οι 100 ο C στο σημείο βρασμού του νερού. Ειδικά για την θερμοκρασία, είναι κρίσιμο μέγεθος για την υγεία και όχι μόνο, και η γνώση της είναι απαραίτητη για άμεσες ενέργειες (π.χ. μέχρι <38 δεν δίνουμε φάρμακο, >38,1 δίνουμε). Με βάση παρατηρήσεις σου στο πείραμα 2, γράψε τα συμπεράσματά σου με μορφή οδηγιών για το πώς πρέπει να γίνεται μια μέτρηση θερμοκρασίας. I. Οι ενδείξεις του θερμομέτρου να έχουν συγκριθεί με ένα άλλο θερμόμετρο και να είμαστε σίγουροι για την ορθή λειτουργία του. II. Το θερμόμετρο να λειτουργεί σωστά στην περιοχή των θερμοκρασιών που μετράμε.(δεν λειτουργούν σωστά τα θερμόμετρα σε όλες τις θερμοκρασίες- δηλαδή «κατάλληλο θερμόμετρο». III. Θα πρέπει το μάτι να είναι στην σωστή θέση σε σχέση με το θερμόμετρο. IV. Θα πρέπει να μη βρισκόμαστε πολύ κοντά στο θερμόμετρο και να μην το αγγίζουμε, ώστε να μην επηρεάζουμε την μέτρηση με την αναπνοή ή με το χέρι μας. [4]
ε. Εφαρμόζω, Εξηγώ, Γενικεύω Συγκέντρωσε εικόνες και πληροφορίες για τη μέτρηση της θερμοκρασίας με άλλα όργανα και άλλους τρόπους. ΜΕΘΟΔΟΙ-ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Διαστολή (θερμική διαστολή στερεών-υγρών-αερίων) Ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός μετάλλου Πυκνότητα ενός υγρού Ακουστική (εξάρτηση ταχύτητας ήχου στον αέρα από τη θερμοκρασία) Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο - Ακτινοβολία Συνδυασμός φαινομένων ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Υδραργυρικό θερμόμετρα Οινοπνευματικό θερμόμετρο Μεταλλικό θερμόμετρο ή θερμόμετρο ελατηρίου Ηλεκτρικό θερμόμετρο Θερμόμετρο αερίου Θερμόμετρο ιατρικό Θερμόμετρα βάθους εδάφους Αυτογραφικό βαρόμετρο (βαρογράφος) Διμεταλλικός θερμογράφος Θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης Θερμόμετρα θερμοζεύγους Πυρόμετρο Υδροθερμόμετρο [5]
Τι γνωρίζετε για το ΥΔΡΑΡΓΥΡΙΚΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ Το ποιο διαδεδομένο από τα θερμόμετρα διαστολής είναι το υδραργυρικό θερμόμετρο, που βασίζει τη λειτουργία του στη διαστολή του υδραργύρου, αποτελείται από ένα μικρό γυάλινο δοχείο και ένα γυάλινο τριχοειδή σωλήνα. Το δοχείο είναι γεμάτο με υδράργυρο, ο οποίος, όταν θερμανθεί, διαστέλλεται μέσα στον τριχοειδή σωλήνα. Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούμε τη διαστολή του υδραργύρου για να μετρήσουμε την θερμοκρασία.. Κατά μήκος του σωλήνα υπάρχει κλίμακα για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Ο καθορισμός της κλίμακας αυτής είναι το σπουδαιότερο σημείο στην κατασκευή ενός θερμομέτρου. Για να ορίσουμε μια κλίμακα, αρκεί να πάρουμε δύο χαρακτηριστικά σημεία πάνω στο σωλήνα και μετά να διαιρέσουμε το τμήμα που ορίζουν αυτά τα δύο σημεία σε ίσα τμήματα. Τέτοια χαρακτηριστικά σημεία είναι τα σημεία του σωλήνα που φτάνει ο υδράργυρος, Όταν ο σωλήνας είναι βυθισμένος σε μίγμα πάγου και νερού υπό ατμοσφαιρική πίεση (σημείο τήξεως του πάγου) και όταν είναι μέσα σε υδρατμούς που παράγονται από το βρασμό αποσταγμένου νερού. Η βαθμολογία των δύο σημείων είναι αυθαίρετη. Ο Κέλσιος όρισε σαν θερμοκρασία μηδέν τη θερμοκρασία του πάγου που λειώνει και σαν θερμοκρασία εκατό τη θερμοκρασία του βρασμού του νερού. Το τμήμα του σωλήνα που υπάρχει ανάμεσα στις δύο αυτές ενδείξεις το χώρισε σε εκατό ίσα τμήματα και έτσι δημιουργήθηκε η κλίμακα Κελσίου (εκατοντάβαθμη κλίμακα). Κάθε υποδιαίρεση της κλίμακας αυτής λέγεται βαθμός Κελσίου. Αντίθετα, ο Φαρενάιτ πήρε τη θερμοκρασία του πάγου που λιώνει σε θερμοκρασία 32 βαθμών και του νερού που βράζει σε θερμοκρασία 212 βαθμών. Δηλαδή 100 υποδιαιρέσεις της κλίμακας Κελσίου αντιστοιχούν σε 180 υποδιαιρέσεις της κλίμακας Φαρενάιτ. [6]
Τι γνωρίζετε για το μεταλλικό θερμόμετρο ; Μεταλλικό θερμόμετρο Τα μέταλλα όπως τα υγρά και τα αέρια χρησιμεύουν για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας, τα μεταλλικά θερμόμετρα όμως είναι μικρότερης ακρίβειας από τα υδραργυρικά και οινοπνευματικά θερμόμετρα. Η μέτρηση της θερμοκρασίας με τα μεταλλικά θερμόμετρα επιτυγχάνεται από την μεταβολή του σχήματος ή του όγκου μεταλλικών ταινιών, λόγω του διαφορετικού συντελεστή διαστολής των. Τι γνωρίζετε για το αυτογραφικό βαρόμετρο (βαρογράφος); Αυτογραφικό βαρόμετρο (βαρογράφος) Καλούνται τα όργανα με τα οποία γίνεται συνεχής καταγραφή των τιμών θερμοκρασίας. Τι γνωρίζετε για το πυρόμετρο; [7] Πυρόμετρο Οργανο με το οποίο μετριούνται από απόσταση πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Τα πυρόμετρα είναι συχνά εξοπλισμένα με μια διάταξη λέιζερ, η οποία επιτρέπει στο χρήστη να στοχεύσει στο σημείο μέτρησης γρήγορα και με ακρίβεια.
Τι γνωρίζετε για την θερμοκάμερα; Παρατήρησε την παρακάτω εικόνα για την οποία έχει χρησιμοποιηθεί μια "θερμοκάμερα", η οποία είναι μια από τις πλέον σύγχρονες τεχνολογίες μέτρησης της θερμοκρασίας. Συγκέντρωσε εικόνες και πληροφορίες για τη λειτουργία της, τις δυνατότητές της και τις εφαρμογές της. Πρότεινε εξειδικευμένες εφαρμογές της στα πειράματα φυσικών επιστημών. Μια θερμοκάμερα λοιπόν, έχει τη δυνατότητα να καταγράψει τη θερμική ακτινοβολία που έχει κάθε αντικείμενο. Γενικά, ο όρος θερμογραφία αναφέρεται στην καταγραφή της επιφανειακής θερμοκρασίας κάποιου αντικειμένου ανεξάρτητα από το που προέρχεται αυτή. Η αποτύπωση της θερμογραφίας γίνεται σε μια έγχρωμη εικόνα όπου ανάλογα με τις διάφορες θερμοκρασίες που υπάρχουν, στο αντικείμενο που θέλουμε να ελέγξουμε, αντιστοιχούν και διαφορετικά χρώματα. Η θερμοκάμερα συνήθως χρησιμοποιείται για την καταγραφή της θερμικής ακτινοβολίας των κτηρίων ή κάποιων μηχανημάτων, για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας τους. Μεγάλη βοήθεια αποτελεί η εφαρμογή της θερμογραφίας και στον τομέα της Ιατρικής και χρησιμοποιείται σαν ένα επιπρόσθετο μέσο διάγνωσης. Με τη χρήση μιας θερμοκάμερας μπορεί να γίνει κατανοητή η έκταση μιας βλάβης ή να ανιχνευθεί μια πάθηση που βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο. Η θερμοκάμερα συνήθως χρησιμοποιείται σε αεροπλάνα η ελικόπτερα για την καταγραφή της θερμικής ακτινοβολίας ανθρώπων ή ζώων για έρευνα και διάσωση. Συνοψίζοντας, η θερμογραφία σα μέθοδος είναι πολύ χρήσιμη καθώς μπορούμε να έχουμε αποτελέσματα για τη θερμική ακτινοβολία ενός σώματος από απόσταση, χωρίς να έρθουμε σε επαφή μαζί του και μας δίνει τη δυνατότητα να εντοπίσουμε έγκαιρα προβλήματα που μπορεί να υπάρχουν. [8]
Κλίμακα Κελσίου - Κλίμακα Φαρενάιτ Παρότι σε πάρα πολλές χώρες (και στις Ευρωπαϊκές) χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας η κλίμακα Κελσίου (με μονάδα 1 0 C), σε άλλες χώρες (όπως στις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, στον Καναδά και αλλού) χρησιμοποιείται η κλίμακα Φαρενάιτ (με μονάδα 1 0 F). Στην κλίμακα Φαρενάιτ η θερμοκρασία πήξης του νερού είναι 32 0 F, ενώ η θερμοκρασία βρασμού του είναι 212 0 F. Με βάση τις αντιστοιχίσεις (0 0 C 32 0 F) και (100 0 C 212 0 F) προκύπτει ότι οι κλίμακες συσχετίζονται με τις μαθηματικές σχέσεις: 0 C (9/5) + 32 = 0 F ή ( 0 F 32) (5/9) = 0 C Επομένως, οι μετατροπές των τιμών από τη μία κλίμακα στην άλλη απαιτούν την εφαρμογή κάποιας από τις δύο μαθηματικές σχέσεις. Για παράδειγμα, 18 0 C (9/5)+ 32 = 64,4 0 F 1. Να συμπληρώσετε το παρακάτω πίνακα : ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 0 C ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 0 F 18 0 C 64,4 0 F 20 0 C 68 0 F 25 0 C 77 0 F 5 0 C 41 0 F 15 0 C 59 0 F [9]
2. Ευκολότερα οι μετατροπές γίνονται σχεδιάζοντας, με βάση τις αντιστοιχίσεις (0 0 C 32 0 F) και (100 0 C 212 0 F), μια ευθεία γραμμή στο παρακάτω διάγραμμα: [10]
Το διάγραμμα είναι : [11]
3. Αν η θερμοκρασία είναι 50 0 F να βρείτε την θερμοκρασία με την βοήθεια του διαγράμματος σε 0 C. Η θερμοκρασία είναι : 10 0 C [12]
Πείραμα 3 Πείραμα διαφορετικής εκτίμησης της ίδιας θερμοκρασίας Η υποκειμενικότητα της εκτίμησης της θερμοκρασίας με το σώμα μας ερευνάται με το παρακάτω πείραμα: Ρίξε νερό της βρύσης σε ένα πυρίμαχο (pyrex) δοχείο. Ζέστανε το νερό, τοποθετώντας το δοχείο σε ένα αναμμένο ηλεκτρικό μάτι, έως ότου η θερμοκρασία του να αυξηθεί και να φθάσει περίπου στους 35 0C. Ονόμασε το δοχείο "δοχείο 1". Ρίξε νερό της βρύσης σε ένα δεύτερο δοχείο. Ονόμασε αυτό το δοχείο "δοχείο 2". Ρίξε νερό της βρύσης σε ένα τρίτο δοχείο. Ψύξε το νερό ρίχνοντας μέσα στο δοχείο μερικά παγάκια, έως ότου η θερμοκρασία να μειωθεί και να φθάσει περίπου στους 5 0C. Ονόμασε αυτό το δοχείο "δοχείο 3". Τοποθέτησε τα δοχεία το ένα δίπλα στο άλλο και ζήτησε από έναν συμμαθητή σου να βυθίσει ένα δάχτυλο του δεξιού του χεριού στο δοχείο 1 και ένα δάχτυλο του αριστερού του χεριού στο δοχείο 3. Ζήτησε τώρα από το συμμαθητή σου να βυθίσει το ένα μετά το άλλο το δύο αυτά δάχτυλα στο δοχείο 2. Γράψε τις εντυπώσεις του συμμαθητή σου για το νερό του δοχείου 2. Είναι "ζεστό" ή "κρύο"; Με το δάχτυλο του αριστερού χεριού του εκτιμά ότι το νερό στο δοχείο 2 είναι κρύο Με το δάχτυλο του δεξιού χεριού του εκτιμά ότι το νερό στο δοχείο 2 είναι ζεστό Άρα έχουμε διαφορετική εκτίμηση για την ίδια θερμοκρασία. [13]