Physics · Boek 1 · Grades 1–9

Natuurkunde basisschool en onderbouw

Natuurkunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9

15Temperatuur en thermometers

Twee winters geleden hielden drie kommen water je twee handen voor de gek: hetzelfde water voelde warm voor de ene en koel voor de andere. We beloofden toen dat er ooit een instrument zou komen dat zulke ruzies beslecht. Hier is het — de thermometer, de kleine glazen rechter die warm en koud in een getal verandert.

15.1 Waarom gevoel niet genoeg is

Voorbeeld 15.1 (De oneerlijke rechters)

In elk seizoen oordeelt je gevoel oneerlijk: de metalen glijbaan voelt kouder dan de houten bank in dezelfde schaduw; lauw water voelt warm voor een koude hand en koel voor een warme; en na het sleeën voelt de kille gang lekker behaaglijk. Om warm en koud eerlijk te vergelijken — van kamer tot kamer, van dag tot dag, van mens tot mens — hebben we een rechter nodig die nooit van gedachten verandert: een instrument.

15.2 De thermometer en zijn graden

Definitie 15.2 (Temperatuur)

De temperatuur van iets is het getal dat precies zegt hoe warm of koud het is. Hoger getal, warmer ding; lager getal, kouder ding. Temperatuur wordt gemeten in graden Celsius, geschreven ∘C{}^{\circ}\mathrm{C}, met een thermometer.

Propositie 15.3 (De twee mijlpalen van water)

De Celsiusschaal is vastgepind op de twee grote toestandsveranderingen van water:

  1. bij 0 ∘C0\,{}^{\circ}\mathrm{C} bevriest water tot ijs (en smelt ijs);
  2. bij 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C} kookt water tot damp.

Tussen de twee mijlpalen is de schaal in 100100 gelijke graden verdeeld — een trap van kleinere treden van ijs naar damp.

Een thermometer: de rode vloeistof klimt als ze verwarmd wordt. Hier staat ze op het streepje 25 — de temperatuur is 25\, C.
Een thermometer: de rode vloeistof klimt als ze verwarmd wordt. Hier staat ze op het streepje 2525 — de temperatuur is 25 ∘C25\,{}^{\circ}\mathrm{C}.

Voorbeeld 15.4 (Hoe de glazen rechter werkt)

In het dunne buisje van de thermometer zit een opgesloten gekleurde vloeistof. Warmte laat die vloeistof een klein beetje uitzetten — en in zo’n dun buisje duwt een kleine uitzetting de kolom zichtbaar omhoog. Kou laat haar weer krimpen. De vloeistof laat zich niet voor de gek houden zoals een hand: ze zet even veel uit bij dezelfde warmte, vandaag, morgen, voor iedereen.

Een echte thermometer aan de muur: de rode kolom klimt langs de schaal, en iedereen die het streepje afleest krijgt hetzelfde getal.
Een echte thermometer aan de muur: de rode kolom klimt langs de schaal, en iedereen die het streepje afleest krijgt hetzelfde getal.

15.3 Een thermometer aflezen

Methode 15.5 (Een thermometer aflezen)

  1. Zet de thermometer waar je de temperatuur wilt weten — in het water, buiten in de schaduw, onder de tong;
  2. wacht — de vloeistof heeft tijd nodig om uitgeklommen of uitgezakt te zijn; kijk tot ze stilstaat;
  3. breng je oog op gelijke hoogte met de bovenkant van de kolom;
  4. lees het getal af bij het streepje waar de kolom komt, en schrijf het met zijn eenheid: 18 ∘C18\,{}^{\circ}\mathrm{C}.

Te vroeg aflezen, of schuin van opzij, geeft een verkeerd getal — de rechter is eerlijk, maar je moet hem netjes ondervragen.

Voorbeeld 15.6 (Temperaturen om mee te leven)

Een paar getallen die je uit je hoofd moet kennen: een aangename kamer is ongeveer 20 ∘C20\,{}^{\circ}\mathrm{C}; je lichaam houdt zichzelf op ongeveer 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C}, zomer en winter; ver daarboven is koorts — de thermometer van de dokter weet het. De koelkast houdt ongeveer 4 ∘C4\,{}^{\circ}\mathrm{C}; een hete zomerdag haalt 30 ∘C30\,{}^{\circ}\mathrm{C}; badwater is aangenaam rond 35 ∘C35\,{}^{\circ}\mathrm{C}.

Vier vertrouwde temperaturen: hoe hoger de kolom, hoe warmer het ding.
Vier vertrouwde temperaturen: hoe hoger de kolom, hoe warmer het ding.

15.4 Onder nul

Voorbeeld 15.7 (Wintergetallen)

Op een vrieskoude ochtend zakt de kolom onder het streepje 00. De streepjes lopen daar gewoon door, en we lezen ze met het woord “min”: één streepje onder nul is min één graad, vijf streepjes eronder is min vijf, geschreven −5 ∘C-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Mingetallen zijn kouder dan nul, en hoe verder ze zakken, hoe strenger de vorst: een ochtend van −10-10 bijt kouder dan een van −2-2. Het weerbericht noemt ze elke winteravond.

Opmerking 15.8 (Nul is niet “niets”)

Op deze schaal betekent 00 niet “geen temperatuur” — het is gewoon het streepje waar water bevriest, een mijlpaal als een wegwijzer. Het weer kan warmer zijn dan de mijlpaal of kouder; de thermometer vertelt je alleen aan welke kant, en hoeveel streepjes. (Getallen onder nul hebben een hele eigen rekenkunde — je wiskundecursus pakt die in een later jaar netjes op.)

15.5 Oefeningen

Oefening 15.1 ★

Waarom is een thermometer een eerlijkere rechter over warm en koud dan je hand? Noem één manier waarop handen in eerdere hoofdstukken voor de gek werden gehouden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.1.

De thermometer geeft hetzelfde getal bij dezelfde warmte, wie hem ook afleest en wanneer ook. Handen werden voor de gek gehouden door de drie kommen (hetzelfde lauwe water voelde tegelijk warm en koel) en doordat metaal in dezelfde schaduw kouder aanvoelt dan hout.

Oefening 15.2 ★

Bij welke temperatuur bevriest water? Bij welke kookt het? In welke eenheid staan beide getallen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.2.

Water bevriest bij 0 ∘C0\,{}^{\circ}\mathrm{C} en kookt bij 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C} — allebei in graden Celsius.

Oefening 15.3 ★

Wat gebeurt er met de vloeistof in het dunne buisje als de thermometer wordt verwarmd? En als hij wordt afgekoeld? Waarom is zo’n kleine verandering zo duidelijk te zien?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.3.

Verwarmd zet de opgesloten vloeistof uit en klimt de kolom; afgekoeld krimpt ze en zakt de kolom. Het buisje is zo dun dat zelfs een piepkleine uitzetting de kolom zichtbaar omhoog duwt.

Oefening 15.4 ★

Noem de twee fouten waarvoor Methode 15.5 waarschuwt bij het aflezen van een thermometer.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.4.

Te vroeg aflezen (voordat de kolom is gestopt met bewegen), en schuin van opzij aflezen in plaats van met je oog op gelijke hoogte met de bovenkant van de kolom.

Oefening 15.5 ★

Koppel elk ding aan zijn waarschijnlijke temperatuur — 4 ∘C4\,{}^{\circ}\mathrm{C}, 20 ∘C20\,{}^{\circ}\mathrm{C}, 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C}, 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}: kokend water; een behaaglijke woonkamer; de binnenkant van de koelkast; je eigen lichaam.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.5.

Kokend water: 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Behaaglijke woonkamer: 20 ∘C20\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Koelkast: 4 ∘C4\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Je lichaam: 37 ∘C37\,{}^{\circ}\mathrm{C}.

Oefening 15.6 ★

De badthermometer leest 35 ∘C35\,{}^{\circ}\mathrm{C}; de pan op het fornuis leest 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Welke is warmer, en kun je de pan veilig aanraken? Hoeveel graden warmer is de pan dan het bad?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.6.

De pan is warmer, met 100−35=65100 - 35 = 65 graden — veel te heet om aan te raken: hij staat op kooktemperatuur.

Oefening 15.7 ★

Een winterthermometer laat de kolom 33 streepjes onder nul zien. Hoe zeggen en schrijven we die temperatuur? Is die kouder of warmer dan −8 ∘C-8\,{}^{\circ}\mathrm{C}?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.7.

Min drie graden Celsius, geschreven −3 ∘C-3\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Dat is warmer dan −8 ∘C-8\,{}^{\circ}\mathrm{C}: acht streepjes onder nul zit dieper in de vorst dan drie.

Oefening 15.8 ★

Gisteren las de tuinthermometer 6 ∘C6\,{}^{\circ}\mathrm{C} bij het ontbijt en 14 ∘C14\,{}^{\circ}\mathrm{C} bij de lunch. Met hoeveel graden werd het die ochtend warmer?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.8.

14−6=814 - 6 = 8: die ochtend werd het 88 graden warmer.

Oefening 15.9 ★

De plassen op de stoep zijn ’s nachts ijs geworden. Wat kun je over de temperatuur van die nacht zeggen, zonder thermometer? Welke mijlpaal gebruik je daarbij?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.9.

De nacht is onder 0 ∘C0\,{}^{\circ}\mathrm{C} gezakt — de vriesmijlpaal van water. Bevroren plassen zijn een thermometer gemaakt van weer.

Oefening 15.10 ★★

Meteen na het sleeën rent Emma de gang in en roept: “Het is hier snikheet!” De thermometer in de gang leest 16 ∘C16\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Is de gang heet? Waarom voelt Emma het zo — en welke rechter moet het gezin geloven?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.10.

Nee — 16 ∘C16\,{}^{\circ}\mathrm{C} zit aan de koele kant van aangenaam. De huid van Emma vergelijkt de gang met de vrieskoude tuin die ze net verlaten heeft, dus voelt hij voor haar behaaglijk. Het gezin moet de thermometer geloven: die vergelijkt met de vaste streepjes van zijn schaal, niet met waar hij zojuist vandaan kwam.

Oefening 15.11 ★★

Een kok wil weten of soep die flink doorkookt heter wordt naarmate ze langer kookt. Ze meet: na één minuut koken 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}; na tien minuten nog steeds 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}. Wat leert de thermometer haar over kokend water — en over de mijlpalen van water?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.11.

Kokend water blijft op 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C}, hoe lang het ook kookt — de mijlpaal is een plafond: extra verwarmen maakt meer damp, niet heter water. Juist daarom kon 100 ∘C100\,{}^{\circ}\mathrm{C} überhaupt als betrouwbare mijlpaal worden gekozen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 393 begrippen in de begrippenlijst