Aj teplomer môže vyzerať ako malé umelecké dielo. Pripomína teplovzdušné balóny uzavreté v sklenom valci, ktoré sa ladne pohybujú hore a dole. Na akom princípe funguje?
Videonávod tohto experimentu, ako aj všetkých predchádzajúcich, nájdete na stránke video.matfyzjein.sk/experimenty.
Podobnosť s karteziánskym potápačom
V predchádzajúcom čísle sme skúmali pohyb karteziánskeho potápača. Jeho pohyb v kvapaline určovala zmena priemernej hustoty potápača, ku ktorej dochádzalo mechanickým stlačením.
Galileov teplomer je tvorený pevnou sklenou nádobou. V nej je kvapalina, trochu vzduchu a niekoľko sklených baniek (obsahujúcich zafarbenú kvapalinu a vzduch) so závažiami. Hmotnosť baniek ani ich objem sa vďaka pevným skleným stenám nemenia. Priemerná hustota každej z nich je stála. Ako je teda možné, že za určitých podmienok bude priemerná hustota niektorej z baniek väčšia ako hustota okolitej kvapaliny a banka sa začne potápať?
Pomôcky
Dva rovnaké priehľadné poháre (výhodou je, ak sú z hrubšieho skla), teplá a studená voda, aspoň dva kusy tvrdého papiera, ktoré prekryjú vrch pohára, prípadne potravinárske farbivo. (Pri domácom experimentovaní nie je nevyhnutné presne merať teplotu vody. Použili sme digitálne teplomery, aby sprostredkovali informácie, ktoré inak obrázok nezachytáva.)
Postup
Oba poháre naplníme po okraj vodou – jeden pohár studenou a jeden teplou. Ak chceme zvýrazniť rozdielnu teplotu vody, môžeme pridať potravinárske farbivo. My sme studenú vodu zafarbili namodro a teplú načerveno.
1. Prikryme pohár s teplou vodou tvrdým papierom, opatrne otočme a položme na pohár so studenou vodou. Veľmi opatrne vytiahnime papier oddeľujúci studenú a teplú vodu. Pozorujme.
2. Prikryme pohár so studenou vodou tvrdým papierom, opatrne otočme a položme na pohár s teplou vodou. Veľmi opatrne vytiahnime papier oddeľujúci studenú a teplú vodu. Pozorujme.
Vysvetlenie
Ak sme umiestnili teplú vodu nad studenú, došlo k premiešavaniu na ich rozhraní. Ak sme umiestnili studenú vodu nad teplú, pozorovali sme prúd teplej vody smerujúci nahor a studenú vodu stekajúcu nadol. To svedčí o tom, že hustota teplej vody je menšia ako hustota studenej vody. Teplá voda pláva na studenej vode. Dôkazom premenlivej hustoty vody je aj skutočnosť, že ak zohrievame nádobku s vodou siahajúcou až do tenkej rúročky prechádzajúcej vrchnákom, hladina vody v rúročke stúpa. Voda zahriatím zväčšila svoj objem. Hmotnosť vody sa pritom nezmenila. Znamená to, že sa zohrievaním zmenšila hustota vody.
Späť na začiatok
Zmena teploty prostredia (vzduchu v miestnosti) sa po chvíli prejaví zmenou teploty stien teplomera a zmenou teploty kvapaliny vnútri teplomera. So zmenou teploty je spojená zmena hustoty kvapaliny. Sklené banky so závažiami, ktorých priemerná hustota je väčšia ako hustota kvapaliny, sa pohybujú nadol. Teplotu ukazuje banka, ktorá sa vznáša uprostred, alebo banka, ktorá pláva najnižšie. Pre čo najväčšiu presnosť teplomera je užitočné, ak sa hustota kvapaliny, v ktorej plávajú sklené banky, mení čo najvýraznejšie. Preto obyčajne v Galileovom teplomere nie je voda, ale lieh.
A prečo je teplomer lenivý? Tepelná výmena medzi vonkajším prostredím a vnútrom teplomera je pomalá, preto teplomer nereaguje na malé krátkotrvajúce zmeny teploty.
doc. PaedDr. Viera Haverlíková, PhD.
Foto a video Stanislav Griguš
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Svoje realizácie experimentov môžete posielať na adresu: sona.gazakova@fmph.uniba.sk.