Costruzione di un termometro

“Calore” e “temperatura” sono due parole che esprimono concetti fisici diversi, ma nel linguaggio comune vengono spesso confuse. La parola ”calore” è associata alla sensazione tattile soggettiva in base alla quale affermiamo che un oggetto è caldo o è freddo a seconda di come noi lo percepiamo, ma in realtà tale sensazione soggettiva è dovuta alla temperatura del corpo.  La misura della temperatura si effettua rendendo oggettiva questa sensazione tattile soggettiva: l’esperienza mostra infatti che un corpo messo in contatto altri corpi a cui associamo temperature soggettive diverse, modifica il suo volume in modo monotono con la sensazione qualitativa di freddo e caldo. Nell’esperienza viene utilizzata l’altezza raggiunta da una colonnina di olio in una cannuccia per definire una scala termometrica e realizzare un termometro. 

Questo esperimento è presente anche per la scuola secondaria di II grado: Costruzione di un termometro

Scheda sintetica delle attività

• Nella prima parte dell’attività si procede con una semplice presentazione ricordando che nel linguaggio di tutti i giorni temperatura e calore sono confusi tra loro e questo rende difficile comprenderne la differenza. Si mette in evidenza che l’esperimento chiarisce il concetto di temperatura mettendolo in relazione con la dilatazione termica.  
• Si procede ad illustrare la possibile scelta tra i materiali fornendo alcuni consigli utili alla realizzazione. 
• La classe viene divisa divisi in quattro-cinque gruppi.  
• Ogni gruppo ha la possibilità di ragionare in modo guidato e scegliere il materiale corretto per la costruzione del termometro. 
• Ogni gruppo avrà a disposizione il materiale occorrente per la costruzione del termometro.

Risorse

• Contenitore di vetro
• Olio di semi
• Cannuccia di vetro di circa 20-25 cm
• Nastro adesivo e nastro teflon
• Piastra
• Acqua
• Ghiaccio
• Pentolino

Prerequisiti

• Conoscere il principio di funzionamento di un termometro
• Conoscere il fenomeno della dilatazione volumica dei liquidi

Obiettivi di apprendimento

• Saper costruire un termometro
• Saper formulare ipotesi relative a temperatura e calore su fenomeni spesso osservati nella vita quotidiana
• Saper condurre esperimenti, elaborare spiegazioni e trarre conclusioni da ciò che si è osservato e sperimentato

Dotazioni di sicurezza

Nessuna in particolare, prestare attenzione alla piastra e all’acqua bollente. 

Svolgimento

Viene costruito un termometro ad olio utilizzando materiale quotidiano e ne viene eseguita la taratura.  
Durante i momenti di attesa necessari per far stabilizzare i livelli (in totale 15 minuti per raggiungere e stabilizzare lo zero e circa 15 minuti per i 100 °C) possono essere presentati una serie di esperimenti sulla dilatazione termica precedentemente svolti in classe. 
 Ad esempio: 

• i fili metallici: in cui si esplora il fenomeno della dilatazione lineare mediante l’allungamento di un ferro di calza;
• le superfici si allargano: in cui si esplora la dilatazione superficiale, mediante la dilatazione di una moneta; 
• i solidi si ingrossano: in cui si esplora la dilatazione volumica dei solidi, mediante la dilatazione di alcuni ditalini;
• il palloncino si gonfia: in cui si esplora la dilatazione dei gas;
• i liquidi aumentano di livello: in cui si esplora la dilatazione termica dei liquidi, in particolare di acqua ed oli. 

Realizzazione 

Prima parte: realizzazione del termoscopio

Premessa teorica: dal termoscopio al termometro attraverso la taratura

Prima di procedere con la taratura occorre scegliere una scala termometrica e poi procedere alla taratura del termoscopio. Si sceglie la scala Celsius (°C). La sua definizione si basa su due punti di riferimento fondamentali: 

•  0 °C, che corrisponde alla temperatura dell’olio immerso nel ghiaccio fondente. 
• 100 °C, che corrisponde alla temperatura dell’olio immerso quando l’acqua è in ebollizione. 

La distanza tra questi due livelli viene suddivisa in 100 parti, ciascuna delle quali corrisponde ad 1 grado Celsius o grado centigrado, indicato con il simbolo °C. 
Il termoscopio, con la scala, è quindi un termometro che consente di eseguire misure di temperatura. La scala Celsius è lineare, il che significa che la differenza di temperatura tra due punti qualsiasi della scala è costante.

Seconda parte: taratura del termoscopio

Per tarare il termoscopio dopo averlo montato e dopo aver aspettato qualche minuto, si segna una linea che indica l’altezza raggiunta dal liquido a temperatura ambiente (h_a). Si immerge il termoscopio in acqua che bolle e si aspetta qualche minuto; il livello del liquido nella cannuccia aumenterà: in corrispondenza di questo livello, si segna una linea che indica l’altezza raggiunta a 100°C, (h₁₀₀) (figura 2).

Successivamente si inserisce il termometro dentro acqua e ghiaccio, si attendono 10-15 minuti e poi si segna l’altezza raggiunta dal liquido 0°C (h₀) (figura 3 ). 

Per completare la taratura del termometro occorre suddividere la distanza tra i due livelli h₁₀₀ e h₀ in 100 parti, ciascuna delle quali corrisponde ad 1 grado Celsius, come già detto nella premessa teorica; si realizza così la scala graduata del termometro. 

La misura di una temperatura (ad esempio la temperatura ambiente t_a) si eseguein modo diretto mettendo a contatto il termometro con l’oggetto di cui si vuole misurare la temperatura, aspettando che il livello del liquido raggiunga un valore stabile e leggendo infine la temperatura sulla scala graduata.

In modo più veloce la determinazione della temperatura ambiente t_a può essere realizzata attraverso un calcolo matematico. Si misurano per questo le distanze tra le linee corrispondenti a 0°C e 100°C:

e tra 0° C e la temperatura ambiente (figura 4) 

La temperatura ambiente è data dalla proporzione:

Nell’esempio mostrato nelle figure: 

La proporzione è quindi:

Note e storia

La scala empirica delle temperature utilizzata nell’esperimento e molto comune in Europa è detta scala Celsius o scala centigrada, dal nome dell’astronomo e fisico svedese che nel XVIII secolo la inventò; in questa scala si assegna il valore 0 al livello dell’olio quando la bottiglietta è immersa in ghiaccio in fusione e il valore 100 al valore raggiunto dall’olio, quando l’acqua è in ebollizione. La distanza tra questi due punti viene suddivisa in 100 parti, ciascuna delle quali corrisponde ad 1 grado centigrado o grado Celsius con simbolo °C. 

Nei paesi anglosassoni è ancora diffuso l’uso della Scala Fahrenheit, dal nome del fisico tedesco del XVIII secolo che la ideò. La sua unità di misura è il grado Fahrenheit con simbolo °F. In questa scala il ghiaccio fonde a 32°F e l’acqua bolle a 212°F. Lo spazio tra le due temperature viene diviso in 180 intervalli ognuno dei quali corrisponde a 1°F. 

In fisica si usa una scala chiamata scala delle temperature assolute o scala Kelvin, dal nome del fisico inglese che la ideò nel secolo scorso. La sua unità è il grado Kelvin con simbolo K. Il valore assoluto più basso di questa scala si chiama zero assoluto e corrisponde alla temperatura più bassa possibile. Essa è una temperatura limite sotto la quale non è possibile scendere. Un corpo che si trova a questa temperatura ha le molecole del tutto prive di qualsiasi energia e perfettamente immobili. 

Bibliografia

• Costruzione di un termometro – Esperimento LS-OSA per la scuola secondaria di II grado

Autori

Paola De Paolis, IIS “G. Marconi”, Civitavecchia (RM)
Anna Marino, I.C. di Diano Marina, Diano Marina (IM)
Salvatore F. Altavilla, I.C. 1 di Modena, Modena
Manuela Pontremoli, I.C. “L. Fantappié”, Viterbo