OGGETTI E CONCETTI: calore e temperatura

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OGGETTI E CONCETTI calore e temperatura
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Misurare la temperatura Calcolare la quantità di
calore

• trasformazioni di energia
• misura dellenergia trasferita
• misura della potenza

Le fiamme
Barattoli che si scaldano al Sole
Misurare la temperatura Calcolare la quantità di
calore

• trasformazioni di energia
• misura dellenergia trasferita

• trasformazioni di energia
• trasferimenti di energia
• misura dellenergia trasformata

Ditale, sabbia, cordino e...
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
Calore-a
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Calore e temperatura
Quantità di calore calore specifico massa
differenza di temperatura Q c m ? T
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
Consegna tutto quello che si può fare con
barattoli, sabbia, candele e termometri
1 caloria è la quantità di calore necessaria per
far salire di 1 grado centigrado la temperatura
di 1 g di acqua

• 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 loggetto 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 dellenergia termica sta passando da un
  oggetto allaltro.

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),
• lunità 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 delloggetto o
  dellambiente,
• il calore assorbito o ceduto provoca la
  variazione della proprietà fisica della sostanza
  termometrica contenuta nel termometro e, di
  conseguenza, lindice sulla scala o il display
  indicano il valore della temperatura raggiunta.

• Lenergia che viene dal Sole
• lenergia 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
  alloggetto 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
  loggetto, più cresce la sua temperatura,
• laumento di temperatura di un oggetto per
  effetto dellenergia radiante, dipende dalla
  massa delloggetto, dalla superficie esposta e
  dalla sostanza di cui è fatto.

Calore-b
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Calore e temperatura la fiamma
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
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 dellacqua,
• pesare la candela (o il fornello riempito di
  alcool) e accenderla sotto il pentolino, facendo
  partire il cronometro,
• misurare la temperatura dellacqua 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

• 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

• Concetti
• lenergia chimica della candela (o dellalcool)
  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,
• laumento di temperatura di un oggetto per
  effetto del calore, dipende dalla massa
  delloggetto e dalla sostanza di cui è fatto,
• a parità di energia trasferita, si impiega un
  tempo minore se la potenza della fiamma è maggiore

• 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

Aspetti didattici - è possibile utilizzare
lenergia chimica immagazzinata nei combustibili
per trasformarla in energia termica e riscaldare
altri oggetti
Calore-1a
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Calore e temperatura la fiamma

• La fisica
• lenergia chimica della candela (o dellalcool)
  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,
• laumento di temperatura di un oggetto per
  effetto del calore, dipende dalla massa
  delloggetto 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 lenergia chimica che si è
  trasformata in energia termica dellacqua dalla
  quantità di calore
• Q csp m ? T, usando per il calore specifico
  dellacqua csp 1 cal/gC ? 4 J/gC
• 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 unidea del
  potere calorifico del combustibile usato

Contesto - luso dello strumento di misura
(termometro) è consigliato a partire dalla prima
media nellambito 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
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Calore e temperatura barattoli che si scaldano
al Sole
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
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 laltro 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 allombra e misurare come si raffreddano
  a intervalli regolari di tempo

• Attacco
• vacanze al mare (camminare sulla spiaggia a
  mezzogiorno)
• estate in città (abiti chiari e abiti scuri)

• Concetti
• lenergia 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
  alloggetto 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
  loggetto, più cresce la sua temperatura,
• laumento di temperatura di un oggetto per
  effetto dellenergia radiante, dipende dalla
  massa delloggetto e dalla sostanza di cui è
  fatto
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente
  perché assorbe più efficacemente lenergia solare
  

Dove e quando - preferibilmente lesperimento
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.
Aspetti didattici - è possibile utilizzare
lenergia radiante emessa da una sorgente per
riscaldare altri oggetti

• Riferimenti (dove, come e per chi)
• www.iapht.unito.it

Calore-2a
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Calore e temperatura barattoli che si scaldano
al Sole

• La fisica
• lenergia 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
  alloggetto 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
  loggetto, più cresce la sua temperatura,
• laumento di temperatura di un oggetto per
  effetto dellenergia radiante, dipende dalla
  massa delloggetto e dalla sostanza di cui è
  fatto
• il barattolo scuro si scalda più rapidamente
  perché assorbe più efficacemente lenergia 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 - luso dello strumento di misura
(termometro) è consigliato a partire dalla prima
media nellambito di attività di metrologia - la
rappresentazione grafica dei dati raccolti è
consigliata a tutti i livelli, a partire dalla
prima media
Calore-2b
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Calore e temperatura sfregare per riscaldare
Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica
- classe A059
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
Aspetti didattici - è possibile utilizzare il
moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti
attraverso lattrito

• 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

Attacco - vita primitiva (Robinson Crusoe) -
esperienze di sopravvivenza (trasmissione
televisiva Lisola 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 lattrito,
• l energia di movimento può essere trasformata
  in energia termica,
• in tutti i passaggi e le trasformazioni di
  energia, lenergia non si distrugge mai, anche se
  può essere difficile scoprire sotto che forma o
  in quale oggetto è finita.

Aspetti didattici
Calore-3a
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Calore e temperatura sfregare per riscaldare

• La fisica
• è possibile utilizzare il moto di un oggetto per
  riscaldare altri oggetti attraverso
  lattrito,
• lenergia di movimento può essere trasformata in
  energia termica,
• in tutti i passaggi e le trasformazioni di
  energia, lenergia non si distrugge mai, anche se
  può essere difficile scoprire sotto che forma o
  in quale oggetto è finita
• nota bene
• lenergia 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/gC ? 0,8 J/gC)
  
• 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 loperazione si è ripetuta
  per ottenere laumento 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 -
luso dello strumento di misura (termometro) è
consigliato a partire dalla prima media
nellambito di attività di metrologia - il
calcolo della quantità di calore e la discussione
relativa alle trasformazioni dellenergia vanno
adattati alla classe e al momento, anche in
previsione di un raccordo con la scuola
secondaria superiore
Calore-3b