1A- Caldo e freddo

Oggi sono stati fatti pochi esperimenti e moltissime domande.
Un esperimento è stato quello di confrontare i tempi di fusione del ghiaccio appoggiato a due superfici diverse: metallo e plastica. Si scioglie prima un pezzo di ghiaccio sul bancone del laboratorio (che è ricoperto di laminato plastico) o su una superficie di metallo (acciaio inox)? Abbiamo messo due cubetti identici di ghiaccio uno sul bancone del laboratorio e l'altro su un pentolino rovesciato. Ecco il risultato:

Ghiaccio su plastica (sinistra) e metallo (destra)

Il ghiaccio sull'acciaio si scioglie per primo. Perché? L'acciaio è un buon conduttore di calore, la plastica no. La plastica è un isolante. Tutti sanno  che per cucinare si usano attrezzi con il manico di legno o plastica, o tutti in legno, per evitare di scottarsi. Per prendere una pentola o un coperchio usiamo le presine per non scottarci.

Poi la prof ha detto di toccare prima il piano dello sgabello e poi la gamba metallica, e di comunicare la sensazione. Tutti hanno detto: la gamba di metallo è "più fredda. Al tatto il metallo è più freddo.
Legno e metallo hanno la stessa temperatura, quella dell'aula. Il metallo però favorisce la propagazione del calore (provocando in noi, quando lo tocchiamo, una sensazione di freddo: la temperatura del nostro corpo è superiore a quella dell'ambiente).
Ecco cosa succede al ghiaccio: il metallo, che ha una elevata conducibilità termica, gli cede calore  molto rapidamente (la superficie di metallo è alla stessa temperatura dell'aula, circa 22°C), per cui il ghiaccio si scioglie molto più velocemente sul metallo di quanto non accada sulla superficie plastica.
D'altra parte, per trasportare il gelato si usano contenitori di polistirolo e non di metallo!

Alla luce di queste esperienze risulta più semplice la corretta interpretazione della diversità delle sensazioni tattili: il corpo umano (la nostra pelle) è ad una temperatura maggiore di quella della gamba di metallo e del tavolo di laminato plastico, il metallo rapidamente acquista calore dal nostro corpo considerato come sorgente di calore a temperatura costante e quindi la mano sente subito la "sottrazione di calore" con conseguente sensazione di freddo.

La prova del pentolino

Un esperimento per ripassare e ripensare.
Abbiamo preso un pentolino e due fornelli (piastre elettriche) identici.
Abbiamo eseguito due misure: 1- abbiamo messo 100 ml d'acqua di rubinetto nel pentolino, lo abbiamo messo sul fornello. Abbiamo misurato quanto tempo occorreva per arrivare all’ebollizione.

Abbiamo buttato l’acqua e raffreddato il pentolino.

2- abbiamo messo 200 ml d'acqua di rubinetto nel pentolino, lo abbiamo messo sull'altro fornello. Abbiamo nuovamente misurato quanto tempo occorreva per arrivare all’ebollizione.

Cosa abbiamo visto?
Per arrivare alla stessa temperatura (quella dell’acqua bollente) ci vuole più tempo nel secondo caso: per l’ebollizione occorrono, con quantità diverse d’acqua, tempi diversi.
Cosa concludi?
A parità di tempo di riscaldamento il calore fornito dal fornello sarà lo stesso. La stessa quantità di calore produce però aumenti di temperatura diversi nei due casi.

Altri esperimenti di termologia

Abbiamo preso un pentolino, due fornelli identici in grado di fornire lo stesso calore, acqua. Abbiamo messo 250 ml d'acqua nel pentolino e abbiamo acceso il fornello. Abbiamo misurato quanto tempo occorre per arrivare all’ebollizione. Abbiamo poi butta l’acqua e raffreddato a temperatura ambiente il pentolino. L’esperimento è stato ripetuto mettendo 500 ml d'acqua nel pentolino e ponendolo sul secondo fornello, che abbiamo acceso in modo da avere le stesse condizioni precedenti. Abbiamo osservato che per arrivare alla stessa temperatura (quella dell’acqua bollente) occorrono, con quantità diverse d’acqua, tempi diversi.
L'aumento della temperatura in diverse quantità della stessa sostanza richiede tempi diversi.
E se riscaldiamo sostanze diverse?
Abbiamo messo nel pentolino, svuotato, raffreddato e asciugato 250 ml di sabbia.
In pochissimi minuti la temperatura è salita a oltre 100 °C, tanto che il nostro termometro (che al massimo misura 110 °C) non poteva più essere usato.
L’acqua ha bisogno di molto calore prima di riuscire riscaldarsi. Per raffreddarsi, cioè perdere il calore accumulato, ha bisogno di molto tempo. Questa sua caratteristica influenza il clima delle zone costiere ( e lacustri dove le temperature sono più miti con inverni meno freddi, perché il calore immagazzinato dalle masse d’acque viene disperso lentamente, ed estati meno calde.

1A- Esperimenti

Cambiamenti di volume
Il fisico olandese W. J.Gravesande (1688-1742), professore di matematica e di fisica all'Università di Leida, progettò questo dispositivo per studiare la dilatazione dei solidi. Chi sa spiegare l'esperimento?

Temperatura ambiente
Spesso si sente parlare di “temperatura ambiente” per indicare la temperatura della stanza dove si sta.
Cosa succede se mettiamo un bicchiere con acqua a 32°C in una stanza alla temperatura di 24°C?
Noi abbiamo fatto la prova e ...


Mescoliamo due masse d’acqua uguali a temperature diverse

Abbiamo provato a fare un'ipotesi prima di mescolare e leggere la temperatura con il termometro.
C'era chi diceva la somma, chi la differenza, chi un valore intermedio tra le due temperature. Risultato sperimentale? Non abbiamo la somma o la sottrazione delle temperature delle masse d’acqua mescolate, ma la media.


Come avviene il trasferimento di calore
Le proprietà relative ai diversi modi di trasmissione del calore trovano larga applicazione nella vita quotidiana. Abbiamo messo un cubetto di ghiaccio su una superficie di legno, ed un altro cubetto uguale al primo su una lamina metallica. Ci siamo chiesti chi si sarebbe sciolto per primo.
Alcuni dicevano quello sul legno, altri quello sul metallo.
Cosa ci ha detto l'esperimento?
Se vuoi accelerare il processo di scongelamento di un cibo, è più conveniente utilizzare come piano d’appoggio una superficie di legno o una di metallo?

Sfera rovente in acqua fredda
Abbiamo preso una sfera riscaldata a lungo su una piastra elettrica, una pinza di legno, un fornello, un pentolino con dell’acqua, un termometro. Misurata con il termometro la temperatura dell'acqua, abbiamo immerso la sfera nel pentolino e misurato nuovamente la temperatura dell'acqua. L'acqua si è riscaldata. C'è stato un trasferimento di calore dalla sfera (più calda) al liquido (più freddo), verificando che il primo si raffredda e il secondo si riscalda. Il calore passa da un corpo più caldo ad uno meno caldo. Il primo si raffredda e il secondo si riscalda.

Il trasferimento di calore verso un corpo è sempre accompagnato da una variazione di temperatura?
Abbiamo studiato la fusione del ghiaccio mettendo della granita di ghiaccio in un imbto ed immergendo in essa il bulbo di un termometro. Abbiamo letto i valori per oltre un'ora (clicca per ingrandire):

Il grafico tempo-temperatura mostra una linea orizzontale che rappresenta il valore COSTANTE della temperatura durante la fusione. Solo quando il ghiaccio è scomparso la temperatura ha cominciato a crescere.
Dunque il trasferimento di calore non è sempre accompagnato da una variazione di temperatura. Questa resta costante si è in presenza di un cambiamento di stato (nel nostro caso, da solido a liquido: fusione).

Miscele frigorifere: esperimenti con la neve

Mescolando dei sali al ghiaccio si ottengono le cosiddette miscele frigorifere che raggiungono temperature molto inferiori a quella del ghiaccio di partenza.
L’acqua pura si trasforma in ghiaccio a 0 °C. Se però nell’acqua è presente una sostanza disciolta, il punto di congelamento viene abbassato, e l’acqua si trasforma in ghiaccio solo a temperature inferiori.

Il fenomeno è detto abbassamento crioscopico.
L’entità dell’abbassamento crioscopico dipende dal numero di ioni disciolti in acqua.

Supponiamo di avere della neve a 0 °C e di aggiungere del sale. Il ghiaccio tenderà a liquefarsi per dissolvere il sale. Per potersi sciogliere il ghiaccio ha bisogno di assorbire calore, e quindi la temperatura scende. La neve per trasformarsi in acqua prende l’energia necessaria dalla miscela stessa che quindi diminuisce la propria temperatura

Ecco perché viene sparso del cloruro di sodio o di calcio sulle strade d’inverno per liberarle dal ghiaccio. Ma, anche se può stupire, spargere del sale sulla neve ne abbassa la temperatura.
C

Passaggi di stato: l'ebollizione.

Ecco il grafico tempo-temperatura delle misure di oggi (abbiamo perso molto tempo ma alla fine ce l'abbiamo fatta!) ricavato dai dati di Alejandro. Il liquido studiato è l'acqua del rubinetto:


Confrontare con il grafico della fusione della neve. A voi i commenti.

Convertire la temperatura

Un termometro per convertire da Celsius a Fahrenheit e viceversa?

Eccolo!

La fusione del ghiaccio

Con la neve abbiamo fatto un'altra prova: ne abbiamo messa un po' in un imbuto con il bulbo di un termometro immerso in modo che scolasse via l'acqua di fusione e si potesse misurare la temperatura:


Abbiamo misurato la temperatura per circa un'ora. Per 40' la temperatura è rimasta costante a 1°C, poi la neve si è sciolta quasi del tutto e la colonnina di mercurio del termometro ha cominciato a salire. Il grafico che ne risulta è il seguente:



La fusione del ghiaccio è un fenomeno che si svolge a temperatura costante.

Sale e neve

Abbiamo approfittato della neve caduta in questi giorni per fare osservazioni ed esperimenti.

Tutti hanno detto di sapere che per sciogliere il ghiaccio si butta sale sull'asfalto innevato. Alcuni hanno detto che la neve, o il ghiaccio, si sciolgono e che dunque la temperatura di questa salamoia deve essere aumentata.

Allora con la neve che avevamo preso giardino abbiamo fatto le seguenti cose:

1- abbiamo misurato la temperatura della neve (foto 1, T= 1,5°C)

2- abbiamo aggiunto una parte di sale a tre parti di neve (foto 2)

3- Abbiamo misurato di nuovo la temperatura: contrariamente alle previsioni fatte, era scesa fino a - 15°C! (foto 3, il termometro è sceso a -12°C):

Come mai la temperatura è scesa?
Alla neve, che era a circa 0 °C, abbiamo aggiunto il sale ottenendo una miscela. La neve si liquefa per dissolvere il sale, ma, per fondere, la neve assorbe calore, e allora la temperatura cala. Alla neve, o al ghiaccio, serve calore per diventare acqua e prende l’energia dalla miscela stessa che quindi diminuisce la propria temperatura.
Dunque, contrariamente a quanto possa sembrare, spargere del sale sul ghiaccio per scioglierlo, come si fa sulle strade d'inverno, abbassa la temperatura del ghiaccio.

Termologia: altri esperimenti.

Oggi abbiamo fatto due esperimenti: l'equilibrio termico e la dilatazione dei metalli.

Equilibrio termico

Abbiamo preparato 2 cilindri graduati di plastica con la stessa quantità di acqua (250 ml) a temperature diverse: T₁= 54°C e T₂= 7°C

Abbiamo tentato una previsione sulla temperatura T_finale che otterrai mescolando i due campioni. Sono state fatte tre previsioni diverse.


Previsione 1 (sette scelte):

T_finale= 47°C

Chi ha fatto questa previsione ha detto di aver pensato che l’acqua fredda avrebbe tolto calore a quella calda.

Previsione 2 (una scelta):

T_finale= 61°C

Chi ha fatto questa previsione ha detto di aver pensato che l’acqua calda avrebbe aggiunto calore a quella fredda.

Previsione 3 (tutti gli altri):

T_finale un valore intermedio tra T₁ e T₂. Tra questi valori sono stati indicati 29°C, 31°C e 32°C, ma anche molti altri.

Allora abbiamo mescolato i campioni e misurato la temperatura:

T_finale= 28°C

Se rappresentiamo i dati con un istogramma vediamo che la temperatura sperimentale T_finale si colloca a metà della somma delle temperature T₁ e T₂ dei due cilindri. Cioè è la media delle due temperature e la trovo facendo (T₁ + T₂) : 2.

La linea tratteggiata rappresenta la temperatura calcolata, la linea continua quella sperimentale. Le temperature sono espresse in °C.

Per l'altro esperimento postiamo solo due immagini. La prima mostra la sfera di acciaio che non passa dal foro, la seconda è un vecchio apparato sperimentale. Per il testo aspettiamo le relazioni!

L'esperimento delle tre vaschette

Nicolò ha fatto un esperimento. Chi vuol provare a raccontare quello che abbiamo fatto in classe?

Fusione del ghiaccio e superfici

Oggi ci siamo chiesti: si scioglie prima un pezzo di ghiaccio sulla cattedra (che è fatta di laminato plastico) o su una superficie di metallo (acciaio inox)?
Su 23 , 17 hanno detto: sulla cattedra, mentre 6 hanno detto: sull'acciaio.

Prima di procedere all'esperimento, è stato chiesto di toccare il piano del banco e poi la gamba metallica del banco stesso, e di comunicare la sensazione. Tutti hanno detto: la gamba di metallo è "più fredda".
Poi abbiamo messo due cubetti identici di ghiaccio uno sulla cattedra e l'altro su una superficie metallica. Ecco il risultato (sulla cattedra a sinistra, sul piano di acciaio a destra):


Nella foto i due pezzi (identici) di ghiaccio a confronto. Il ghiaccio sull'acciaio si scioglie per primo. Perché? L'acciaio è un buon conduttore di calore, la plastica no. La plastica è un isolante. Tutti hanno detto che per cucinare si usano attrezzi con il manico di legno o plastica, o tutti in legno, per evitare di scottarsi. Per prendere una pentola o un coperchio usiamo le presine per non scottarci.
Eppure, nonostante tutti siano convinti di ciò, circa il 74% della classe ha fatto una previsione errata. Ciò che ha tratto in inganno la maggior parte della classe è che al tatto il metallo sembra più freddo ma ATTENZIONE! ciò non va confuso con il suo reale stato termico! Plastica e metallo hanno la stessa temperatura, quella dell'aula. Il metallo però favorisce la propagazione del calore (provocando in noi, quando lo tocchiamo, una sensazione di freddo: la temperatura del nostro corpo è superiore a quella dell'ambiente).
Riassumendo, il metallo, che ha una elevata conducibilità termica, cede calore al ghiaccio molto rapidamente (la superficie di metallo è alla stessa temperatura dell'aula, circa 22°C), per cui il ghiaccio si scioglie molto più velocemente sulla lastra di metallo di quanto non accada sul foglio di polistirolo. D'altra parte, per trasportare il gelato si usano contenitori di polistirolo e non di metallo!

Alla luce di queste esperienze risulta più semplice la corretta interpretazione della diversità delle sensazioni tattili: il corpo umano (la nostra pelle) è ad una temperatura maggiore di quella della gamba di metallo e del tavolo di laminato plastico, il metallo rapidamente acquista calore dal nostro corpo considerato come sorgente di calore a temperatura costante e quindi la mano sente subito la "sottrazione di calore" con conseguente sensazione di freddo.