Fenomeni termici

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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:

  1. 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.
  2. 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. 

Rallentare il riscaldamento (vedi scheda studente n.1 seconda parte)

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
38
54
42
48
45
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]