Il termoscopio
Descrizione
È capitato a tutti di dire che un oggetto o un ambiente è caldo o freddo. La sensazione di caldo o freddo, però è una sensazione soggettiva. Ad esempio se entriamo in una stanza, diremo che è fredda se prima ci trovavamo in un luogo più caldo e diremo che è calda se prima ci trovavamo in un luogo più freddo. Per poter dare una valutazione più oggettiva di caldo e freddo possiamo considerare una proprietà dei corpi, detta dilatazione termica, di aumentare o diminuire le proprie dimensioni se vengono riscaldati o raffreddati. In particolare, per oggetti in cui una dimensione è molto maggiore delle altre due, possiamo considerare una dilatazione lineare, per oggetti in cui dimensioni sono molto maggiori della terza possiamo considerare una dilatazione superficiale e per oggetti in cui le tre dimensioni sono tutte confrontabili tra loro, possiamo considerare una dilatazione volumetrica. Allora, detti $l_0$, $S_0$ e $V_0$ rispettivamente le dimensioni del corpo alla temperatura $t=0 °C$ e $\alpha$ il coefficiente di dilatazione lineare, la lunghezza $l$, la superficie $S$ e il volume $V$ di un corpo alla generica temperatura $t$ sono dati da: $$l\left(t\right)=l_{0}\left(1+\alpha t\right)$$ $$S\left(t\right)=S_{0}\left(1+2\alpha t\right)$$ $$V\left(t\right)=V_{0}\left(1+3\alpha t\right)$$ dove $\alpha$ è detto coefficiente di dilatazione termica e si misura in $1/°C$. Nel caso di liquidi e solidi il valore del coefficiente di dilatazione termica dipende dal materiale; invece, nel caso dei gas $\alpha=\frac{1}{273°C}$.
Uno strumento basato sul fenomeno di dilatazione termica è il termoscopio, la cui invenzione è attribuita a Galileo Galilei. Esso è un dispositivo che ci permette di osservare i cambiamenti di temperatura ed è generalmente costituito da un’ampolla di vetro in cui è inserito un liquido ed è collegata a un tubicino sottile generalmente chiuso nella parte superiore. Alla temperatura ambiente, il liquido all’interno dell’ampolla si troverà a una certa altezza $h$ all’interno del tubicino. Variando le condizioni di temperatura, varierà anche l’altezza a cui il liquido si troverà nel tubicino. Ad es. se immergiamo il termoscopio in un un contenitore d’acqua a temperatura $t_{H20}$ maggiore della temperatura dell’ambiente, vedremo che il livello del liquido si innalzerà a causa del fenomeno della dilatazione termica. Al contrario, se immergiamo il termoscopio in un contenitore d’acqua a temperatura minore della temperatura ambiente, vedremo che il livello del liquido si abbasserà. Nel video seguente è rappresentato un termoscopio casalingo costruito da Fausto Casaburo, borsista Lab2Go 2019/20.
Strumenti
| Strumenti necessari | Descrizione |
|---|---|
| Acqua | Il liquido utilizzato |
| Colorante | Es. acquerello, per colorare l'acqua |
| Bottiglietta | Per contenere l'acqua |
| Cannuccia trasparente | Funge da tubo dove s'innalzerà il livello dell'acqua |
| Colla a caldo o DAS | Per sigillare |
Realizzazione
Per realizzare il termoscopio:
- Effettuare un foro sul tappo della bottiglia e inserirvi la cannuccia in modo che parte della cannuccia sia immersa nell'acqua contenuta nella bottiglietta;
- Versare l'acqua nella bottiglietta;
- Marcare l'acqua con il colorante;
- Sigillare la bottiglia con la colla a caldo o con il DAS attorno alla cannuccia
Quando il termoscopio sarà pronto, l'acqua si troverà a una certa altezza $h$ all'interno della cannuccia quindi:
- Riscaldare l'acqua del termoscopio ad esempio ponendo un phon vicino, o immergendo il termoscopio una bacinella con acqua calda e osservare che l'acqua del termoscopio si alzerà all'interno della cannuccia a causa della dilatazione termica;
- Raffreddare l'acqua del termoscopio e osservare che l'acqua all'interno della cannuccia inizierà a scendere.
Suggerimenti
Conoscendo la temperatura cui si trova il termoscopio è possibile tarare quest'ultimo ottenendo quindi un termometro.
Sitografia
| Link | Descrizione |
|---|---|
| Termoscopio | Lab2Go |
| Dilatazione Termica | Youmath |
| UniPa | Taratura di un termoscopio |
| Matematichiamoblog | Fonte dell'immagine |