Galileo's Thermometer

Datum: december 2006

Inleiding:

Wederom een typische Blokker aankoop. Ik zag ze bij Blokker staan en kon de verleiding niet weerstaan er een te kopen om uit te zoeken hoe deze werkt.

Principe:

Een thermometer gebaseerd op temperatuurafhankelijke dichtheidsverschillen uitgevonden door Galileo

Materiaal:

  • Thermometer van  Galileo
    (te verkrijgen bij Blokker,
    dit is de verpakking van de mini-uitvoering)

Uitvoering en resultaat:

Zet de thermometer neer en kijk welke temperatuur deze aangeeft.

De thermometer heeft een bereik van 18 tot 26 oC, waarbij temperatuurverschillen van 2 oC worden aangegeven.

De temperatuur kan men aflezen van de schijfjes die onder een glazen bol hangen. Kijk naar de degenen bij  de top die nog drijven. Degene die daarvan het laagste hangt geeft de temperatuur aan (in de for hiernaast de roze).

Bij het uitlezen van deze thermometer kan men de volgende benadering hanteren:

  • alle bollen op de bodem: de thermometer is te warm. Indien van toepassing weghalen uit het directe zonlicht of van een warmtebron.

  • bollen zweven verdeeld tussen top en bodem: de thermometer werkt naar behoren. De laagste zwevende aan de top geeft de temperatuur aan.

  • all bollen drijven: de thermometer is te koud. Zet deze op een warmere plaats.

Discussie en conclusie:

De Galileo thermometers is afgeleid van de zgn thermoscoop die door Galileo rond 1600 is uitgevonden en gebaseerd is op Galileo's ontdekking dat de dichtheid van een vloeistof temperatuurafhankelijk is.

De Galileo thermometer is opgebouwd uit een afgesloten glazen buis die gevuld is met water en enkele zwevende glazen bellen die gedeeltelijk met een gekleurde vloeistof gevuld zijn. De buis heeft een wijde basis hetgeen deze een laag zwaartepunt geeft hetgeen helpt om de kans dat deze omvalt te verkleinen. Aan elke glazen bol is een klein metalen plaatje bevestigd met daarin een getal gegraveerd dat de temperatuur aangeeft. Deze metalen plaatjes zijn in werkelijheid gevalibreerde contragewichten. Het gewicht van elk metalen plaatje verschilt een klein beetje t.o.v. elk ander. Als de bollen van handgeblazen glas zijn gemaakt zullen ze niet elk exact dezelfde vorm hebben. De bollen worden verder gecalibreerd door er een bepaalde hoeveelheid vloeistof aan toe te voegen zodat ze allen exact dezelfde dichtheid hebben. Als vervolgens de metalen plaatjes bevestid worden zullen de bollen een miniem verschil in dichtheid t.o.v. elkaar hebben, terwijl hun gemiddelde dichtheid zeer dicht bij die van de omringende vloeistof licht. De bollen zijn uiteindelijk gecalibreerd op 0.4 o nauwkeurig en het massaverschil tussen de bollen is ca. 0.006 g. Het basisprincipe is nu dat als omgevingstemperatuur veranderd de temperatuur van het water in de buis dat de bollen omringd ook veranderd. Als de temperatuur van het water veranderd zal het ofwel uitzetten (temperatuurtoename) of inkrimpen (temperatuurafname) waarbij de dichtheid (g/ml) veranderd. De massa van het water veranderd nl niet, wordt de hoevelheid water kleiner dan neemt de dichtheid toe, wordt deze groter dan neemt de dichtheid af. Als de dichtheid veranderd zullen sommige bollen blijven drijven en andere dalen.

De werking van de Galileo thermometer is gebaseerd op het principe van drijfvermogen en dat wordt beschreven door de Wet van Archimedes. De Wet van Archimedes stelt dat de opwaartse druk die een voorwerp in het water ondervindt gelijk is aan het gewicht, van het door het lichaam verplaatste water.

Op basis van de Wet van Archimedes kan men de volgende regels formuleren:

  • Een voorwerp zinkt in een vloeistof als de soortelijke massa van dat voorwerp groter is dan de soortelijke massa van die vloeistof (steen in water).
  • Een voorwerp zweeft in een vloeistof als de soortelijke massa van dat voorwerp gelijk is aan de soortelijke massa van die vloeistof (uitgebalanceerde duikboot).
  • Een voorwerp drijft op een vloeistof als de soortelijke massa van dat voorwerp kleiner is dan de soortelijke massa van die vloeistof (kurk op water).

Deze wet geeft ons de mogelijkheid om de massa van de bolletjes af te schatten. Om de temperatuur aan te kunnen geven moet een bol nl zweven in het water.
De dichtheid van water als functie van de temperatuur kunnen we vinden in het Handbook of Chemistry and Physics. Weergegeven als tabel en als grafiek:

De bollen zijn geen zuivere bollen, het zijn ovaalvormige bollen met kleine uitstulpingen aan de boven en onderkant. Ze hebben een diameter van 3 cm en een hoogte van 2 cm. We nemen aan dat we te maken hebben met een bol die een diameter van 2.5 cm heeft. Het volume van de bol (4/3.PI.r3) is dan 8.2 cm3. We zullen ook moeten aannemen dat het volume van alle bollen identiek is. De massa van een bol wordt dan gegeven door: dichtheidwater * Vbol.
Voor onze thermometer betekent dat:

Het massaverschil tussen de bol die de hoogste en die de laagste temperatuur aangeeft is dan  ca. 0.2% relatief. Hetgeen ook verklaart waarom men deze thermometers al in Galileo's tijd kon bouwen. De massaverschillen liggen in de grootteorde van milligrammen. Deze verschillen kan men reeds bepalen met een goede balansweegschaal.

Literatuur:

  • Handbook of Chemistry and Physics; CRC Press; 60th Ed; p. F-5, F-11.
  • George D. Nickas; 'A Thermometer based on Archimedes principle'; American Journal of Physics; 57 9 1989; p. 845, 846.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Engelse Google zoektermen: Galileo thermometer, Galilean thermometer, thermoscope
  • Ze worden ook "thermometro lendros" genoemd hetgeen Italiaans is voor "langzame thermometer".
  • Men kan velen vloeistoffen gebruiken in de thermometer. ln vloeistof in de bellen kan men zowel alcohol, paraffines, petroleum destillaten als water met een voedingskelurstof gebruiken .

Achtergrondinformatie:

Galileo Galilei (15-2-1564 te Pisa geboren, 18 -1 -1642 te Florence gestorven) was zonder twijfel een van de grootste geleerden uit de menselijke historie. Hij is de grondlegger van de dynamica, pionierde op vele gebieden en was een van de eerste die sinds de oudheid doelbewust experimenteerde om zijn conclusies te onderbouwen. Hij stamde uit een gezeten Florentijnse familie waarvan de vader koopman en muziekleraar was. Op aandrang van zijn vader ging hij op zijn 17de medicijnen studeren in Pisa. In die tijd werden medicijnen echter nog onderwezen volgens de leer van Aristoteles en daar ontwikkelde hij een levenslange afkeer voor. In 1589 werd hij hoogleraar in de wiskunde te Pisa alwaar hij zijn eerste proeven over vrije val deed. Na drie jaar ging hij naar Padua alwaar hij de achttien vruchtbaarste en gelukkigste jaren van zijn leven doorbracht. Hier legde hij de fundamenten voor de sterkteleer en elasticiteitsleer, ontdekte de luchtdruk, werkte aan geluidsproblemen, meting van temperatuur en slingerwetten. Een geheel nieuwe wereld opende zich voor hem toen hij een in Holland vervaardigde verrekijker in handen kreeg en verbeterde.

Door zijn ontdekking van vier satellieten van Jupiter, de schijngestalten van Venus en de draaiing van de zon werd hij de meest overtuigde aanhanger van de leer van Copernicus. Hiermee kwam hij echter in conflict met wetenschappelijke tijdgenoten (uitgezonderd Kepler) en de kerk hetgeen leidde tot vervolging door de Inquisitie. In 1624, onder een nieuwe paus, die zijn persoonlijke vriend was, kreeg hij vergunning zijn grote werk over de leer van Copernicus te publiceren. De kerk vond dit uiterst scherpe, in dialoogvorm geschreven boek, echter gevaarlijk en plaatste hem tot zijn dood onder huisarrest. Zijn ideeen over mechanica rijpten veel langzamer en werden pas in 1638, een jaar nadat hij blind was geworden, gepubliceerd.
Galilei is nooit gehuwd geweest. Hij had voordurend geldzorgen omdat zijn gehele familie hem voortdurend aansprak voor financiele hulp. Kort voor zijn dood, ziek en geheel blind, ontwierp hij het eerste slingeruurwerk.

Bron: Leerboek der Natuurkunde; Scheltema & Holkema; 4de druk; 1954; p. 837

21/03/2009