Misurare la temperatura Calcolare la quantità di calore

Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Le fiamme
Barattoli che si scaldano al
Sole
Ditale, sabbia, cordino e...
OGGETTI E CONCETTI:
calore e temperatura
Misurare la temperatura
Calcolare la quantità di calore
Misurare la temperatura
Calcolare la quantità di calore
Sfregare per riscaldare
V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino
“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2004 – 2005”
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia trasferita
• misura della potenza
• trasformazioni di energia
• misura dell’energia trasferita
• trasformazioni di energia
• trasferimenti di energia
• misura dell’energia trasformata
Calore-a
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Calore e temperatura
Consegna:
tutto quello che si può fare con barattoli, sabbia, candele e termometri
Occhiello calore
• un oggetto caldo, messo a contatto con oggetti meno caldi, gradualmente diminuisce la sua
temperatura, mentre gli oggetti con cui viene a contatto la aumentano,
• in questo modo l’oggetto caldo trasferisce calore agli oggetti più freddi con cui viene a contatto,
• il calore è sempre trasferito dagli oggetti a temperatura più alta agli oggetti a temperatura più bassa,
• gli oggetti, per il fatto di essere più o meno caldi, possiedono una energia interna, detta energia
termica e il calore è la spia che indica che dell’energia termica sta passando da un oggetto all’altro.
Quantità di calore = calore specifico
· massa · differenza di temperatura
Q=c·m·T
1 caloria è la quantità di calore
necessaria per far salire di 1
grado centigrado la temperatura
di 1 g di acqua
1 caloria è equivalente a
4,18 joule
Occhiello temperatura
• la temperatura di un oggetto o di un ambiente si misura con il termometro,
• il termometro è uno strumento tarato (dotato di una scala graduata in una unità di misura opportunamente scelta),
• l’unità di misura della temperatura è il grado centigrado, indicato con il simbolo ° C,
• il termometro basa il suo funzionamento sulla presenza di una sostanza termometrica (gassosa, liquida, solida) dotata di una
proprietà fisica (volume, pressione, lunghezza, colore …) sensibile alle variazioni di temperatura,
• quando il termometro è posto a contatto con un oggetto o ambiente di temperatura diversa dalla sua, assorbe calore o cede calore
fino a portarsi alla stessa temperatura dell’oggetto o dell’ambiente,
• il calore assorbito o ceduto provoca la variazione della proprietà fisica della sostanza termometrica contenuta nel termometro e,
di conseguenza, l’indice sulla scala o il display indicano il valore della temperatura raggiunta.
L’energia che viene dal Sole
• l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia nello spazio dalla sorgente che
la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante,
• più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa dell’oggetto, dalla superficie esposta
e dalla sostanza di cui è fatto.
Calore-b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Calore e temperatura: la fiamma
Oggetti: fornelli ad alcool, candele, pentolini, termometri, bilancia, cronometro
Attività:
• pesare il pentolino, versare una certa quantità di acqua e ripesare in modo da avere il
peso netto dell’acqua,
• pesare la candela (o il fornello riempito di alcool) e accenderla sotto il pentolino,
facendo partire il cronometro,
• misurare la temperatura dell’acqua a intervalli regolari di tempo,
• raccogliere in modo ordinato sulla lavagna i valori di tempo e temperatura
• calcolare la quantità di calore che è stata necessaria per raggiungere la temperatura
finale
Concetti:
• l’energia chimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica,
una fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura,
• più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma e in
calore che passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto del calore, dipende dalla massa
dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto,
• a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è
maggiore
Aspetti didattici:
- è possibile utilizzare l’energia chimica immagazzinata nei combustibili per trasformarla
in energia termica e riscaldare altri oggetti
Interdisciplinarietà:
- scienza in cucina: cuocere i cibi,
- passaggi di stato
Sicurezza
Utilizzando fiamme, anche se
modeste, si presti particolare
attenzione nella eventuale presenza
di ragazzi non ancora rispettosi delle
regole e/o di certi tipi di handicap
Riferimenti (dove, come e per chi):
- L. Pizzorni – Il manuale del giovane
scienziato - Fabbri Editori, 1984
- S.M.S. “E. Fermi” di Burolo - Attività
di Laboratorio Scientifico
- www.iapht.unito.it
Calore-1a
Calore e temperatura: la fiamma
La fisica:
•l’energia chimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica, una
fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura,
• più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma e in calore che
passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto del calore, dipende dalla massa dell’oggetto e
dalla sostanza di cui è fatto,
• a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è maggiore
nota bene
- si può calcolare l’energia chimica che si è trasformata in energia termica dell’acqua dalla quantità di calore
Q = csp m  T, usando per il calore specifico dell’acqua csp = 1 cal/g°C  4 J/g°C
- dividendo la quantità di calore assorbito per il tempo impiegato si ottiene un limite inferiore per la potenza della
fiamma (che conviene esprimere in watt)
- dividendo la quantità di calore per la massa di candela o di alcool consumati, si ha un’idea del potere calorifico
del combustibile usato
Contesto:
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media
- il calcolo della quantità di calore, della potenza e del potere calorifico dei combustibili va adattato alla classe e al momento,
anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Calore-1b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Calore e temperatura: barattoli che si scaldano al Sole
Oggetti: due barattoli di latta identici, tipo quelli in cui si vende il
caffè, vernice opaca bianca e nera, due termometri
Attività:
•dipingere uno dei barattoli con la vernice opaca bianca e l’altro con vernice opaca nera
•infilare in ciascuno un termometro in modo che stia ben a contatto con la parete interna
•esporli poi al Sole, avendo cura che i raggi li colpiscano almeno in parte sulla superficie
laterale dipinta e misurare le temperature a intervalli regolari di tempo (in mancanza di
sole, si può usare una lampada a incandescenza di 100 W)
•portarli all’ombra e misurare come si raffreddano a intervalli regolari di tempo
Concetti:
• l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro
temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi
luminosi, viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia
radiante,
• più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla
massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia
solare
Aspetti didattici: - è possibile utilizzare l’energia radiante emessa da
una sorgente per riscaldare altri oggetti
Attacco:
- vacanze al mare (camminare sulla
spiaggia a mezzogiorno)
- estate in città (abiti chiari e abiti
scuri)
Dove e quando:
- preferibilmente l’esperimento si
dovrebbe svolgere nel cortile o nel
giardino della scuola, in un punto ben
illuminato dal sole e possibilmente
in una calda giornata di primavera o
estate.
Riferimenti (dove, come e per chi):
- www.iapht.unito.it
Calore-2a
Calore e temperatura: barattoli che si scaldano al Sole
La fisica:
•l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura,
• questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia
nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe,
• anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante,
• più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura,
• l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa
dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia solare
• il barattolo scuro si raffredda anche più rapidamente perché irradia più efficacemente energia
radiante, cioè energia del tutto simile a quella luminosa ma che non è visibile ai nostri occhi (raggi
infrarossi)
Contesto:
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia
- la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media
Calore-2b
Preparazione di
Esperienze Didattiche
di Fisica - classe A059
Calore e temperatura: sfregare per riscaldare
Oggetti:
una tavoletta di legno quadrata di circa 15 cm di lato, un ditale, un pezzo di
spago di circa 50 cm, un po’ di sabbia e un termometro digitale per
ambienti, del tipo “interno-esterno”, corredato di puntale sensibile
Attività:
•fare nella tavoletta un foro nel quale possa essere infilata la parte inferiore
(chiusa) del ditale (il ditale deve rimanere ben fissato nella tavoletta ma emergere
dalla tavoletta stessa per metà circa della sua altezza)
•riempire il ditale di sabbia fin quasi al bordo e inserite il puntale del termometro
nella sabbia
•rilevare la temperatura iniziale (che si legge sul display corrispondente alla
temperatura “esterna”)
•prendere poi le due estremità dello spago, passare lo spago intorno al ditale e
tirarlo alternativamente in un senso e nel senso opposto, facendo in modo che
esso sfreghi contro la superficie esterna del ditale
•agire con una certa forza tenendo il cordino ben teso in modo che ci sia un buon
attrito contro il ditale
•rilevare la temperatura segnata dal termometro nella sabbia, a intervalli regolari
di tempo
Aspetti didattici:
- è possibile utilizzare il moto di un
oggetto per riscaldare altri oggetti
attraverso l’attrito
Attacco:
- vita “primitiva” (Robinson Crusoe)
- esperienze di “sopravvivenza”
(trasmissione televisiva “L’isola dei
famosi”)
Riferimenti (dove, come e per chi):
- www.iapht.unito.it
Concetti:
• è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso l’attrito,
• l’ energia di movimento può essere trasformata in energia termica,
• Aspetti
in tutti ididattici:
passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere difficile scoprire sotto
che forma o in quale oggetto è finita.
Calore-3a
Calore e temperatura: sfregare per riscaldare
La fisica:
•è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso
l’attrito,
• l’energia di movimento può essere trasformata in energia termica,
• in tutti i passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere
difficile scoprire sotto che forma o in quale oggetto è finita
nota bene
- l’energia che si è trasformata in energia termica della sabbia e del ditale è data dalla quantità di calore Q = csp m
 T (per il calore specifico della sabbia usare csp  0,2 cal/g°C  0,8 J/g°C)
- si può valutare quanto lavoro è stato fatto stimando (o misurando con un dinamometro) la forza F necessaria per
sfregare con il cordino contro il ditale e moltiplicandola per lo “spostamento” s fatto fare al cordino e per il
numero di volte che l’operazione si è ripetuta per ottenere l’aumento di temperatura  T
- il confronto fra le due energie permette di valutare quanta energia è andata “dispersa”
Contesto:
- la conduzione delle prove di sfregamento è fattibile a tutti i livelli
- l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia
- il calcolo della quantità di calore e la discussione relativa alle trasformazioni dell’energia vanno adattati alla classe e al
momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore
Calore-3b