L'attività proposta consiste nell’esplorazione del fenomeno dell’assorbimento di calore da parte dei corpi di colore diverso posti in vicinanza di una sorgente di luce calda. La percezione del colore è, invece, un fenomeno molto più complicato, che coinvolge la luce, la relazione occhio-cervello, i fenomeni di assorbimento, riflessione e rifrazione (legati alla diversa composizione chimico-fisica della materia).
Esperimento: Assorbimento di Calore e Colore
Prima di iniziare l'esperimento, si pongono agli studenti le domande: "Per scaldare dell’acqua è migliore un corpo la cui superficie è opaca e nera o uno la cui superficie è bianca?" e "Prevedi che la temperatura delle diverse bottiglie seguirà un andamento diverso?". In caso di risposta affermativa, le bottiglie dovranno essere ordinate in ordine di temperatura raggiunta.
Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso e si riempiono d'acqua; dopo averle posizionate alla stessa distanza da una lampada di misura la temperatura dell'acqua in funzione del tempo. Si foderano delle bottiglie di vetro con nastri adesivi di colore diverso, le si riempiono di acqua posizionandole alla stessa distanza da una lampadina a incandescenza.
SI misura la temperatura dell’acqua in ciascuna bottiglia a intervalli regolari (ad esempio ogni 2 minuti) con un termometro analogico (per un totale di 20 minuti) e si rappresentano su di un grafico i dati di temperatura in funzione del tempo. Si esegue la stessa misura utilizzando dei sensori di temperatura, rappresentare in un nuovo grafico i dati ottenuti.Si confrontano infine i grafici ottenuti nei due casi.
Raccolta Dati con Termometri Analogici
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottiglie: 20 °C - 21°C.
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Si riportano in tabella 1 le misurazioni eseguite con termometri analogici:
| Tempo (min) | Bottiglia Nera (°C) | Bottiglia Bianca (°C) | Bottiglia Verde (°C) | Bottiglia Rossa (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 20 | 21 | 20 | 21 |
| 2 | 24 | 22 | 22 | 23 |
| 4 | 27 | 23 | 24 | 25 |
| 6 | 30 | 24 | 26 | 27 |
| 8 | 32 | 25 | 27 | 28 |
| 10 | 34 | 26 | 28 | 29 |
| 12 | 36 | 27 | 29 | 30 |
| 14 | 37 | 27 | 30 | 31 |
| 16 | 38 | 28 | 31 | 32 |
| 18 | 39 | 28 | 31 | 32 |
| 20 | 40 | 29 | 32 | 33 |
Si rileva che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre, mentre quella della bottiglia bianca aumenta più lentamente. Si conferma la previsione che gli oggetti di colore nero assorbono, nelle stesse condizioni di illuminazione, più calore rispetto agli oggetti di colore verde, rosso e bianco. In particolare, gli oggetti di colore bianco assorbono meno calore di tutti gli altri colori indagati.
Raccolta Dati con Sonde di Temperatura
Temperatura iniziale dell'acqua nelle bottigline: 16.2 °C - 16.5°C
Si riportano in tabella 2 le misurazioni eseguite con cinque sonde di temperatura, ad intervalli di 30 secondi l'una dall'altra.
| Tempo (sec) | Bottiglia Nera (°C) | Bottiglia Bianca (°C) | Bottiglia Verde (°C) | Bottiglia Rossa (°C) |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 16.3 | 16.4 | 16.2 | 16.5 |
| 30 | 18.5 | 17.0 | 17.5 | 17.8 |
| 60 | 20.2 | 17.5 | 18.5 | 18.9 |
| 90 | 21.8 | 18.0 | 19.5 | 19.9 |
| 120 | 23.2 | 18.5 | 20.3 | 20.8 |
| 150 | 24.5 | 19.0 | 21.1 | 21.6 |
| 180 | 25.6 | 19.4 | 21.8 | 22.4 |
| 210 | 26.7 | 19.8 | 22.4 | 23.1 |
| 240 | 27.7 | 20.2 | 23.0 | 23.7 |
| 270 | 28.6 | 20.5 | 23.5 | 24.3 |
| 300 | 29.4 | 20.8 | 24.0 | 24.8 |
Si rileva, anche con i dati ottenuti con i sensori, che la temperatura dell’acqua nella bottiglia ricoperta di nero aumenta più velocemente delle altre e quella della bianca aumenta più lentamente. La raccolta dei dati con i sensori e l’elaborazione dati consente di ottenere un grafico più dettagliato e rilevare facilmente il diverso comportamento della temperatura per i diversi colori. Si noti, tuttavia, che non è possibile confrontare direttamente le temperature finale raggiunte dalle diverse bottiglie, in quanto temperatura di partenza e durata del processo di riscaldamento sono diverse nei due casi.
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Approfondimenti e Discussione
Come detto in precedenza, dopo l’accensione della lampada ad incandescenza si rileva un aumento di temperatura diverso per ogni bottiglia. Nel caso della bottiglia nera, la pendenza della fase rettilinea è quella più elevata.
Si nota, inoltre, che nei quattro casi la fase transitoria è diversa, a conferma che l’interazione luce - colore dipende dal colore della superficie assorbente.
La Scienza del Colore e l'Assorbimento
La luce è la porzione di radiazioni (onde elettromagnetiche) che l’occhio può percepire. L’insieme delle frequenze della luce è racchiuso nello spettro elettromagnetico, di cui l’occhio umano riesce a distinguere solo le frequenze comprese i fra i 400 nanometri (luce ultravioletta) e i 700 nanometri (luce infrarossa), comunemente dette luce visibile.
Nel 1666, Annus Mirabilis, lo scienziato inglese fece passare un raggio di luce bianca attraverso un prisma di vetro, ottenendo in uscita i vari colori dell’arcobaleno. Più nel dettaglio, il colore bianco corrisponde all’assorbimento di tutte le frequenze e alla conseguente loro riemessione. Il colore nero, invece, corrisponde all’assorbimento di tutte le frequenze, senza che ne venga riemessa alcuna.
Oltre ai sette colori del cerchio di Newton, detti colori spettrali, le diverse sfumature che vediamo in natura sono date dalla mescolanza di questi. Lo studio dei colori ha da sempre affascinato non solo gli scienziati come Newton, ma anche e soprattutto gli artisti, che ne hanno fatto una ragione di vita.
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Contrasto dei Colori
- Il contrasto di colori puri è il più semplice, in quanto basta accostare colori con il più alto punto di saturazione.
- Il contrasto di complementari riguarda le coppie di colori i cui pigmenti mescolati diano un grigio-nero neutro. I complementari, per quanto contrari, si richiamano reciprocamente: giustapposti raggiungono il loro massimo grado di luminosità, mescolati si annullano nel grigio. Di ogni colore esiste un solo complementare.
- Il contrasto di chiaroscuro coinvolge colori con contrasti polari. Ad esempio, il bianco e nero sono polari da ogni punto di vista, ma fra di essi si sviluppa la gamma dei grigi e dei colori. Il grigio è un colore neutro, ma è facile portarlo a splendide tonalità.
- Il contrasto di freddo e caldo introduce, nel campo della percezione ottica dei colori, una componente termica.
- Il contrasto di simultaneità è quel fenomeno per cui il nostro occhio, guardando un dato colore ne esige simultaneamente il suo complementare e, non ricevendolo, lo rappresenta da solo.
Il Colore e il Marketing
In un articolo di Satyendra Singh, Impact of color on marketing, si fa notare come “Il colore sia onnipresente e sia una fonte di informazione. Le persone prendono una decisione entro 90 secondi dall’iniziale interazione che hanno con gli oggetti. Tra il 62% ed il 90% delle decisioni viene condizionata solamente in base al colore. Ad esempio, l’arancione viene spesso usato per rendere più invitanti quei prodotti che hanno un prezzo alto, perché psicologicamente li fa sembrare più convenienti. Il rosso, invece, è utilizzato nei fast food perché stimola l’appetito, mentre il blu toglie l’appetito.
Colori e Temperatura: Applicazioni Pratiche
Le superfici, i materiali e i colori non sono tutti uguali e non rispondono tutti alla stessa maniera quando vengono colpiti dalla luce solare. Essa è composta da radiazioni di diversa frequenza d’onda e ad ogni frequenza corrisponde una tonalità di colore differente.
Un oggetto bianco, ad esempio, riflette la luce visibile che lo colpisce, in tutte le sue sfumature. Uno oggetto nero, invece, assorbe tutte le radiazioni e la loro relativa energia, scaldandosi maggiormente.
I Vestiti nel Deserto
Uno studio pubblicato nel 1980 su Nature ha analizzato il comportamento termico di diversi abiti indossati nel deserto caldo del Negel a mezzogiorno. I ricercatori hanno paragonato quattro abbigliamenti: una tunica nera, una tunica bianca, un'uniforme militare marrone chiaro e a petto nudo.
La prima osservazione mostra come effettivamente l'abito nero assorba l'89% della radiazione incidente, seguito dall'uniforme kaki (72%), dalla pelle nuda (66%) e infine dalla tunica bianca (35%). Durante le misurazioni la temperatura media dell'aria era attorno ai 38 °C, con un vento di 1,3 m/s. In queste condizioni, l'abito nero raggiunge i 47 °C, mentre quello bianco arriva a soli 41 °C.
A differenza di quanto si potrebbe pensare, però, quando la differenza di temperatura fra abito ‘’caldo’’ e temperatura media dell'aria aumenta, vi è una maggior efficienza di scambio termico, ovvero migliore trasmissione del calore. In presenza di vento, il calore disperso per convezione aumenta e, dunque, la temperatura finale della pelle sotto le due tuniche (bianca e nera) è risultata essere di 33 °C.
L'utilizzo di tuniche larghe e spesse aiuta a mantenere una temperatura corporea inferiore rispetto ad indossare un'uniforme o a rimanere a petto nudo. I vestiti spessi permettono di isolare e mantenere una differenza di temperatura fra il corpo e l’ambiente. I vestiti larghi permettono la convezione dell’aria fra la pelle ‘’fredda’’ e il tessuto ‘’caldo’’. L’aria (in questo caso di 38 °C) entra dal basso, si scalda a contatto con il vestito caldo ed esce dalle aperture superiori (collo e maniche) trasportando con sé una parte del calore rilasciato. Questo processo di convezione è tanto più efficiente quanto più alta la temperatura della tunica. Di conseguenza, nonostante la tunica nera presenti una temperatura esterna superiore, permette al corpo di mantenere la stessa temperatura di un abito bianco, grazie ad una convezione termica più efficiente.
Perché gli Orsi Polari sono Bianchi?
Se fossero scuri assorbirebbero più luce e calore, ma al tempo stesso ne emetterebbero di più. Come abbiamo visto i buoni assorbitori (colori scuri), infatti, sono anche dei buoni emettitori di calore, e questo agli orsi non conviene. In un ambiente freddo è meglio conservare il proprio calore, emettendone poco grazie a colori chiari. Inoltre ai Poli l’intensità luminosa è variabile durante l’anno e, dunque, gli orsi non possono basarsi sul Sole come sorgente principale di calore per mantenere in equilibrio la temperatura corporea.
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