Esperienze e ricordi, tecniche e ragionamenti - Volume II

Di Graziella Bucci e Silvana von Arx

In questo secondo volume del manuale di Fisica di base “Esperienze e ricordi, tecniche e ragionamenti” si chiude il cerchio del corso che, partito dall’ottica geometrica,attraverso lo studio dell’elettromagnetismo e dei fenomeni ondulatori, giunge a costruire le conoscenze di base sulla natura della luce,

In esso, pur mantenendo fermi i punti saldi della nostra didattica, presentati nel primo volume, vengono maggiormente stimolate le capacità di astrazione logica e di collegamenti interdisciplinari per il raggiungimento di una visione critica e complessiva dei problemi della scienza.

• Lingua: Italiano
• Editore: Youcanprint Self-Publishing
• Data di uscita: 30 ott 2015
• ISBN: 9788891190550

Anteprima del libro

fotone

UNITÁ VII

Un altro modo di trasferire l’energia:

IL CALORE

INDICE

UNITÁ VII - IL CALORE

1 - Sensi e strumenti

Scheda 1:

2 - Misuriamo il calore

Scheda 2

3 - Ancora per misurare il calore

Scheda 3

4 - Un nome strano: Il calore latente

Scheda 4

5 - Memorabili discussioni scientifiche

6 - Il calore e gli atomi

7 - Il mulinello di Joule

8 - Il primo principio della termodinamica

9 - Il secondo principio della termodinamica

Sommario

Glossario

Test a risposta multipla

Esercizi

Soluzioni test a risposta multipla

Soluzioni esercizi

Mappa concettuale

Alla fine di questa unità saprai:

1. Distinguere la grandezza calore dalla grandezza temperatura

2. Stabilire una relazione tra calore e temperatura

3. Interpretare il calore come altra maniera di trasferire energia

4. Comprendere, alla luce della struttura atomica della materia, la natura microscopica del calore

5. Generalizzare il principio di conservazione dell’energia, includendo la forma termica

6. Comprendere, alla luce della struttura atomica della materia, la natura microscopica del calore

7. Saper comprendere i motivi dell’impossibilità di trasformare integralmente il calore in lavoro.

1 - SENSI E STRUMENTI

Hai a disposizione un bicchiere di plastica, una scatola di legno, una scatola di polistirolo, dei cilindretti metallici, un becher ed un termometro.

Tocca, di volta in volta, tutti questi oggetti e fai una graduatoria di essi dal più caldo al più freddo. Poni, ora, il bulbo del termometro accanto a ciascun oggetto e misurane la temperatura.

Ci sono differenze tra le tue sensazioni ed i valori letti al termometro?

Le sensazioni provate al tatto sembrano ingannarci nel valutare la temperatura dei corpi ed il termometro ci aiuta nella correzione delle nostre valutazioni.

Pensiamo che per te sia stato facile usare il termometro perché esso è uno strumento molto familiare; puoi renderti conto, comunque, del principio di funzionamento di un termometro facendo una serie di semplici prove.

Riempi una bottiglietta di Coca Cola con acqua colorata, chiudila con un tappo di gomma forato attraverso il quale avrai fatto passare una cannuccia.

Immergi la bottiglia in acqua calda: osserverai che il liquido sale nella cannuccia: l’acqua riscaldata si è dilatata, occupando un volume maggiore.

In questo oggetto il cambiamento di temperatura viene rivelato dal cambiamento di livello del liquido nella cannuccia: esso è un termoscopio; in esso la bottiglietta corrisponde al bulbo del termometro che adoperi di solito, l’acqua colorata al mercurio (tutte le sostanze si dilatano!), la cannuccia al tubo sottile in cui il mercurio sale.

Il termometro, però, è un termoscopio tarato che sfrutta la dilatazione di svariate sostanze: esistono, infatti, termometri ad alcool, a mercurio, a gas.

Il mercurio, tra i liquidi, è la sostanza che meglio si presta a costruire un termometro per molte ragioni:

• è opaco e quindi è ben visibile all’interno del tubo di vetro

• per la stessa variazione di temperatura, la sua dilatazione è minore che per la maggior parte dei liquidi

• rimane liquido in un ampio intervallo di temperature

• è un metallo e, quindi, come tutti i metalli è un buon conduttore del calore

• si ottiene facilmente puro

Immagina di avere a disposizione un piccolo recipiente di vetro, contenente mercurio da cui sia stata scacciata l’aria, che termini con un cannello sottile lungo circa 60 cm .

Immergi il bulbo di questo termoscopio in una pentola contenente ghiaccio tritato e segna con un pennarello il livello raggiunto dal mercurio nel cannello; mescola il ghiaccio con un’asticella e lascialo sciogliere: osserverai che, finché il ghiaccio non è sciolto del tutto, il livello del mercurio nel cannello non cambia.

Poni, ora, la pentola su di un fornelletto ed osserva la dilatazione del mercurio nel cannello; quando, poi, l’acqua bolle e durante tutta l’ebollizione, il livello raggiunto dal mercurio non cambia: segna con il pennarello sul cannello il livello raggiunto dal mercurio.

Nella scala dovuta allo svedese Celsius ed in uso presso di noi il livello corrispondente alla fusione del ghiaccio viene chiamato 0 e quello corrispondente all’ebollizione 100 e tutto l’intervallo (0,100) viene suddiviso in cento parti uguali, ognuna delle quali viene detta grado Celsius. (°C)

Esistono altre scale termometriche in cui i valori assegnati ai due livelli e la suddivisione dell’intervallo tra essi sono diversi, ma la validità di questo procedimento di taratura consiste nella riproducibilità della situazione fisica: i livelli raggiunti da una sostanza termometrica, sia durante la fusione che durante l’ebollizione dell’acqua, rimangono costanti e quindi facilmente individuabili da un operatore.

Puoi migliorare ancora le tue osservazioni usando una sonda collegata al calcolatore che, come hai già visto per il sonar e la sonda di forza, ti permetterà di seguire continuamente nel tempo le variazioni di temperatura.

Scheda 1: Familiarizzazione con l’apparato di rilevazione

Hai a disposizione:

Personal computer

interfaccia

tre sensori di temperatura

software di gestione

Userai questa apparecchiatura per:

• misurare temperature

• rappresentare con un grafico come variano le temperature nel tempo

A.

• Disponi sul banco i tre sensori ed attiva il rilevamento, visualizzando il grafico (t,T).

• Prendi in mano prima un sensore e poi, con l’altra mano, impugna l’ altro

• Dopo circa un minuto rimetti il secondo sensore sul banco, continuando a tenere il primo in mano per cinque minuti circa

• Lascia, durante lo stesso tempo, il terzo sensore sul banco.

Osserva i grafici relativi ai tre sensori:

Analizziamo, per ciascun sensore, le varie zone del grafico:

Dal grafico puoi osservare che il tempo di riscaldamento e quello di raffreddamento del secondo sensore non sono uguali.

Quali possono essere le cause di queste differenze?

B.

C.

Il primo contiene acqua fredda, il secondo acqua tiepida ed il terzo acqua calda; immergi la mano destra nell’acqua fredda e la sinistra in quella calda; dopo qualche minuto, metti le due mani contemporaneamente nell’acqua tiepida.

Anche questa volta sembra che i nostri sensi ci ingannino: la temperatura dell’acqua del recipiente centrale non sembra la stessa ad entrambe le mani.

In realtà i nostri sensi ci ingannano ma non troppo: essi ci danno una ulteriore informazione; ci dicono, infatti, che la mano destra si sta riscaldando mentre la sinistra si sta raffreddando, rendono conto, cioè, della diversa interazione tra le mani e l’acqua.

Le mani raggiungono la stessa temperatura dell’acqua tiepida mentre il calore fluisce dalla mano sinistra all’acqua e dall’acqua alla mano destra.

2 - MISURIAMO IL CALORE

Nella vita di tutti i giorni confondiamo spesso il concetto di temperatura con quello di calore; possiamo, però, renderci conto della differenza già realizzando una facile esperienza: somministrando una stessa dose di calore ad un aghetto di acciaio ed ad un certa quantità d’acqua, essi raggiungono temperature molto differenti.

Le esperienze che seguono ti serviranno per capire e mettere in relazione le due grandezze.

SCHEDA 2

Hai a disposizione:

due becher

un fornelletto elettrico

dell’acqua.

Il fornello fornisce la stessa quantità di calore nello stesso tempo, quindi nelle due attività hai fornito a masse diverse d’acqua la stessa quantità di calore.

Osserva la tabella ed individua la relazione tra m e ΔT

Nei limiti dell’errore sperimentale

Il prodotto m ΔT sembra, per ora, una buona valutazione del calore costante fornito alle due diverse masse d’acqua.

3 - ANCORA PER MISURARE IL CALORE

Scheda 3

Hai a disposizione:

un riscaldatore elettrico ad immersione

un termometro ed un agitatore

1 kg d’acqua in un recipiente di vetro temperato

tre blocchi di metallo (rame, ottone, alluminio) da 1 kg, con fori per il riscaldatore e per il termometro

Come puoi osservare, masse uguali di sostanze diverse, hanno subito, per la stessa quantità di calore fornito, variazioni di temperatura differenti.

Puoi provare a valutare la quantità di calore fornito nei quattro casi calcolando, per ciascuna sostanza, il prodotto m • ΔT:

ma • ΔTa = ……

mal • ΔTal = ……

mcu • ΔTcu = ……

mot • ΔTot = ……

I prodotti che hai ottenuto sono diversi tra loro;questo significa che il prodotto m • ΔT non esprime correttamente il calore fornito nei quattro casi: a parità di massa, la variazione di temperatura dipende dal materiale.

Per poter esprimere la diversità di comportamento delle varie sostanze, si è convenuto di scegliere una certa sostanza di riferimento, l’acqua, per la quale il prodotto m • ΔT rappresenti il calore fornito.

Il calore fornito ad una massa d’acqua di 1 kg per aumentare