Fenomeni termici
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e parole chiave| I thermos
COME RALLENTARE
IL FLUSSO DI CALORE
Proposte stimolo
- Rievocare esperienze in cucina in cui il materiale che costituisce
un oggetto è in relazione alla necessità di trasmettere più o meno
facilmente il calore
- Pensare alle diverse soluzioni adottate nella vita quotidiana
per mantenere caldi (o freddi) gli alimenti
- Riflettere sul perché in inverno si usano indumenti di lana
- Prevedere e testare i tempi di scioglimento di
cubetti di ghiaccio uguali posti su lastre di materiali diversi
(metallo, polistirolo, legno) dello stesso spessore
Fasi dell’attività
Rallentare il raffreddamento (vedi scheda
studente n.1 prima parte)
In gruppo:
- Prevedere se, per mantenere più a lungo calda l’acqua all’interno
di una lattina, è meglio lasciarla scoperta o avvolgerla con qualcosa;
valutare quale materiale è più opportuno scegliere per l’avvolgimento.
- Progettare un esperimento per verificare le ipotesi, indicando
i materiali necessari e la procedura da seguire (quali accorgimenti
si devono avere per ottenere risultati validi?).
Discutere con l’intera classe sulle proposte ed individuare una
procedura standardizzata.
In gruppo
Realizzare l’esperimento, raccogliere e tabulare i dati, riportarli
in grafici a barre e cartesiani, (eventualmente con Excel), analizzare
ed interpretare l’andamento dei grafici e porre i risultati in
relazione con le ipotesi iniziali. Per ampliare l’indagine i gruppi
possono testare materiali diversi.
Con l’intera classe
Condividere e confrontare risultati e riflessioni.
Ripetere l’indagine usando acqua molto fredda.
A seconda del tempo a disposizione e della risposta
della classe, è da valutare l’opportunità di fornire subito le indicazioni
per lo svolgimento dell’indagine. I ragazzi sono portati a “fare”
subito e va cercato un equilibrio tra la necessità di approfondire
la fase progettuale e di analisi ed il rischio di far scendere interesse
e motivazione e di suscitare risposte divergenti, difficilmente gestibili.
Anche partendo dalla somministrazione di schede
di lavoro predisposte non mancano comunque le occasioni per far
riflettere sulla necessità di controllare le variabili (i contenitori
devono essere uguali, contenere la stessa quantità d’acqua alla stessa
temperatura iniziale, devono essere completamente ricoperti…)
L’indagine è molto approssimativa in quanto le caratteristiche dei
materiali utilizzati non sono standardizzate (i tessuti di lana o
cotone possono essere più o meno grossi, la plastica a bolle può
essere più o meno usurata, gli avvolgimenti possono implicare in
misura diversa sovrapposizione di strati…). L’esperienza in classe
ha mostrato che questo fatto, anziché essere un limite, può costituire
un motivo di arricchimento dell’indagine stessa. La ricerca di interpretazione
di risultati ritenuti anomali (andamenti differenziati a seconda
dei gruppi) ha portato infatti a riflettere sulle possibili variabili
in gioco ed a prospettare varianti dell’esperienza per controllarle.
Le ipotesi dei ragazzi
Mantiene più a lungo calda l’acqua:
il cotone, perché ha una trama larga, che facilita lo scambio d’aria
l’alluminio, perché è freddo
la plastica a bolle perché ho notato che nei magazzini gli oggetti
imballati sono freddi
Mantiene meno a lungo calda l’acqua:
la lana perché in inverno usiamo i maglioni di lana
la lana, perché animali come le pecore sono più resistenti al freddo
la plastica a bolle potrebbe mantenere abbastanza il caldo, perché
al suo interno c’è aria che potrebbe essere calda
la plastica a bolle, perché non fa passare aria
Mantiene più a lungo fredda l’acqua:
il cotone, perché è leggero
la lana, perché se non lascia passare il caldo non lascia passare
neanche il freddo, anche se sembra un controsenso, perché siamo abituati
a pensare che la lana ci riscalda
la lana, perché è un tessuto pesante
Dalle esperienze personali vengono tratte a volte idee molto confuse,
spesso contraddittorie, si intuisce qualcosa ma si fatica ad interpretare
e spiegare l’esperienza, spesso emerge l’idea che il calore sia un’entità
contenuta nei materiali, non si riesce ad individuare i sistemi interagenti
ed in particolare sfugge il ruolo dell’ambiente.
Dati raccolti e loro interpretazione
ACQUA CALDA
ACQUA FREDDA
tempo [minuti]
|
Non isolata |
Con
lana |
Con
cotone |
Con allumi-
nio |
Con
plastica
a bolle |
T [°C] |
T [°C] |
T [°C] |
T [°C] |
T [°C] |
0 |
83 |
84 |
83 |
85 |
82 |
10 |
73 |
80 |
76 |
78 |
77 |
20 |
67 |
77 |
71 |
74 |
72 |
30 |
61 |
77 |
64 |
70 |
67 |
40 |
56 |
69 |
59 |
65 |
63 |
50 |
52 |
67 |
56 |
62 |
59 |
60 |
49 |
64 |
52 |
58 |
56 |
70 |
45 |
61 |
49 |
55 |
52 |
80 |
43 |
59 |
47 |
53 |
49 |
90 |
40 |
57 |
44 |
50 |
47 |
100 |
|
|
|
|
|
tempo
[minuti]
|
Non
isolata |
Con
lana |
Con
cotone |
Con
allumi-
nio |
Con
plastica
a bolle |
T
[°C] |
T
[°C] |
T
[°C] |
T
[°C] |
T
[°C] |
0 |
3 |
3 |
3 |
3 |
3 |
10 |
4 |
4 |
4 |
4 |
3 |
20 |
6 |
5 |
6 |
5 |
4 |
30 |
7 |
6 |
6 |
6 |
5 |
40 |
8 |
6 |
7 |
7 |
6 |
50 |
9 |
7 |
8 |
8 |
6 |
60 |
10 |
8 |
8 |
9 |
7 |
70 |
10 |
8 |
9 |
9 |
8 |
80 |
11 |
8 |
9 |
10 |
8 |
90 |
11 |
9 |
10 |
10 |
9 |
100 |
12 |
9 |
10 |
11 |
9 |
|
La costruzione del grafico
a barre permette di visualizzare bene il “ritmo” con cui
l’acqua si raffredda; il decremento della temperatura è più
evidentemente all’inizio del raffreddamento, via via si riduce
nel tempo.
Tale andamento (esponenziale) viene riconosciuto
nei grafici delle esperienze fatte con sistema di acquisizione
dati in tempo reale. |
|
I risultati sono prevedibili per lana,
plastica a bolle (buone proprietà isolanti) e cotone (che lascia
passare più facilmente il calore), mentre non si giustifica,
se si considera solo la conduzione, il comportamento dell’alluminio
che, pur avendo un elevato coefficiente di conducibilità, dimostra
di essere efficace nel mantenere calda l’acqua contenuta nella
lattina. E’ un’occasione per riflettere sull’esistenza di altre
modalità di trasmissione di calore (in questo caso l’irraggiamento). |
|
C’è da osservare che le variazioni registrate
sono affette da un elevato errore, essendo dello stesso ordine
della sensibilità dei termometri usati (1°C). In molti casi,
sembra che in dieci o venti minuti non succeda nulla. Sarebbe
necessario fare letture ad intervalli di tempo più lunghi,
ma diventa poco gestibile dal punto di vista pratico.
Si possono fare comunque alcune evidenti osservazioni:
-le proprietà isolanti dei materiali registrate nell’esperienza precedente sono
in linea di massima confermate,
-come mai in questa esperienza le temperature variano molto più lentamente rispetto
al caso precedente? Si può associare questa considerazione a quella sui diversi
ritmi di raffreddamento fatta in precedenza, per far ragionare sulle temperature
relative dei sistemi interagenti (acqua ed ambiente esterno) e sul ruolo che
giocano nella velocità con cui il calore è scambiato. |
La lettura della temperatura fatta dopo molte ore (eventualmente
il giorno seguente) porta ad osservare che l’acqua in tutte le lattine
raggiunge comunque l’equilibrio termico con l’ambiente (fatto del
resto facilmente previsto dai ragazzi).
[L’esperienza con le lattine qui presentata deriva
da una proposta di G. Cavaggioni (CIRD Trieste) per il corso di
aggiornamento SeT 2002/2003 a Treviso]
|