Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 MEMO 13/11/03 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. 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, ogni 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 indica il valore della temperatura raggiunta in gradi centigradi. 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 e dalla sostanza di cui è fatto. Memo-calore1

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 MEMO 13/11/03 Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Calore e temperatura 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 Memo-calore2

Calore e temperatura: quanto scaldano i raggi del Sole? Gruppi: esporre al Sole (o alla lampada) la vaschetta, dopo averla riempita di acqua o di sabbia, in un punto in cui rimanga illuminata dal sole per un certo tempo. misurate a intervalli regolari di tempo, ad esempio ogni 5 minuti, la temperatura dell’acqua o della sabbia, raccogliere in modo ordinato sulla lavagna i valori di tempo e temperatura 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, quando giunge all’oggetto, l’energia radiante in parte viene riflessa ma in parte si trasforma in energia termica dell’oggetto: ce ne accorgiamo perché cresce la temperatura più passa il tempo, più energia radiante 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 nota bene si può calcolare l’energia radiante che si è trasformata in energia termica della sabbia dalla quantità di calore Q = csp m  T, usando per il calore specifico della sabbia csp  0,2 cal/g°C  0,8 J/g°C se la misura è stata fatta con esposizione a energia solare, conviene dividere il calore assorbito per la superficie e il tempo impiegato e confrontare il valore così ottenuto con la costante solare ( 0,1 W/cm2) se la misura è stata fatta con esposizione alla luce di una lampada, moltiplicando la potenza della lampada per il tempo di irradiamento si ha l’energia erogata che si può confrontare con il calore misurato (espresso in joule) Memo-calore3

Calore e temperatura: la fiamma Gruppi: 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 a raggiungere la temperatura finale calcolare la potenza della fiamma ripesare la candela (o il fornello) alla fine e calcolare la quantità di cera (o alcool) consumata 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 Memo-calore4

Calore e temperatura: barattoli che si scaldano al Sole Gruppi: 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 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) Memo-calore5

Calore e temperatura: barattoli che rotolano Gruppi: fare due buchi al centro sia della base sia del coperchio rimovibile di uno dei tre barattoli far passare l’elastico attraverso il dado e poi attraverso i buchi della base e del coperchio, unendo le due estremità in modo da formare un cappio con il dado appeso a metà della corda, come mostrato in figura. nel secondo barattolo mettere della sabbia riempiendolo però a metà, mentre il terzo deve essere lasciato vuoto oppure riempito interamente di sabbia. lanciare i barattoli, cercando di imprimere sempre la stessa velocità: il barattolo con il dado appeso all’elastico “tornerà indietro” mentre gli altri rotoleranno fino a fermarsi; il barattolo semipieno di sabbia si fermerà però molto prima. 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 si può calcolare quanta energia si è trasformata in energia termica dei barattoli e del pavimento facendo scendere i barattoli lungo un piano inclinato di altezza h: inizialmente infatti il barattolo ha energia di posizione pari alla sua forza peso F per l’altezza h, E=F h. Supponendo che tutta questa energia si trasformi in quantità di calore Q, l’aumento di temperatura aspettata è:  T = Q / csp m. Se come massa m si mette anche solo la massa del barattolo, si ottiene un aumento di temperatura completamente trascurabile perché il barattolo riempito a metà di sabbia si ferma molto prima? Perché la sabbia all’interno si muove disordinatamente e questo moto trasforma molto rapidamente l’energia di moto ordinato in energia interna termica; se il barattolo fosse completamente pieno, rotolerebbe circa per la stessa distanza che se fosse vuoto. Memo-calore6

Calore e temperatura: sfregare per riscaldare Gruppi: 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 della temperatura “esterna”) prendere poi le due estremità dello spago, passare lo spago intorno al ditale e, tirando lo spago alternativamente in un senso e nel senso opposto, facendo in modo che esso sfreghi contro la superficie esterna del ditale agire con 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 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” Memo-calore7