Studiare il calore e le sue proprietà è un’area affascinante della fisica che può essere esplorata attraverso una varietà di esperimenti pratici in laboratorio. Questi esperimenti permettono di osservare direttamente come il calore si trasferisce tra oggetti e ambienti, oltre a fornire intuizioni sui materiali che conducono o isolano il calore efficacemente. Due concetti chiave in questo campo di studio sono i conduttori e gli isolanti termici, nonché il calore specifico dei materiali.
Conduttori e Isolanti Termici
I conduttori termici sono materiali che permettono al calore di passare attraverso di loro con facilità. Tipicamente, metalli come il rame e l’argento sono eccellenti conduttori di calore, motivo per cui sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono un rapido trasferimento di calore, come nei radiatori o nelle pentole da cucina. D’altra parte, i cattivi conduttori, o isolanti termici, come il legno, la plastica o la lana, resistono al passaggio del calore. Queste proprietà possono essere indagate in laboratorio confrontando la velocità con cui diversi materiali si riscaldano o si raffreddano quando sono esposti a una fonte di calore o quando sono isolati da essa.
Calore Specifico
Il calore specifico è un’altra proprietà fondamentale che descrive quanto calore è necessario per cambiare la temperatura di un’unità di massa di un materiale di un grado Celsius. Materiali con un alto calore specifico, come l’acqua, richiedono molta energia per cambiare temperatura, il che spiega perché l’acqua è utilizzata come refrigerante in molti sistemi di raffreddamento. Gli esperimenti per misurare il calore specifico coinvolgono tipicamente il riscaldamento di un campione di materiale a una temperatura nota, quindi misurando la quantità di energia necessaria per ottenere un certo aumento di temperatura.
Esperimenti in Laboratorio
In laboratorio, si possono condurre esperimenti semplici ma efficaci per esplorare questi concetti.
Esperimento 1: Calore e Temperatura
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: due fornelli uguali, due becher uguali, acqua e due termometri.
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- Riempiamo un becher con mezzo litro di acqua e poniamolo su un fornello.
- Riempiamo il secondo becher con un litro di acqua e poniamolo sul secondo fornello.
- Inseriamo i termometri nei becher.
- Accendiamo i fornelli per cinque minuti misurando la temperatura dell’acqua ogni minuto e registrando i valori in una tabella.
Scopriremo che la variazione di temperatura dell’acqua è maggiore nel recipiente contenente meno acqua (ovvero nel becher con mezzo litro di acqua). L’assorbimento di calore causa l’aumento di temperatura di un corpo. Questo aumento di temperatura dipende dal calore fornito e dalla massa del corpo.
Esperimento 2: Buoni e Cattivi Conduttori di Calore
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: una bacinella, un bastoncino di legno, cera di candela, un filo di rame, una graffetta, una cannuccia, uno stuzzicadenti e un chiodo di ferro. La lunghezza e lo spessore degli oggetti devono essere simili.
- Fissiamo gli oggetti (un filo di rame, una graffetta, un pezzetto di cannuccia, stuzzicadenti di spiedini e un chiodo di ferro) al bastoncino di legno utilizzando della cera scaldata.
- Sistemiamo il bastoncino sulla bacinella e versiamo al suo interno dell’acqua bollente facendo attenzione a non scottarci o chiedendo l’aiuto di un adulto.
- Lasciamo che gli oggetti restino parzialmente immersi nell’acqua per pochi minuti.
Il filo di rame cadrà per primo seguito dalla graffetta.
Conduzione Termica: Approfondimenti
La propagazione del calore avviene per conduzione, convezione e per irraggiamento. La conduzione che avviene fra due corpi dipende dalle loro proprietà a livello microscopico; vi sono, infatti, buoni conduttori o cattivi conduttori di calore. La diversa conduzione dei corpi si può facilmente sperimentare immergendo in un contenitore con acqua calda due cucchiai (uno di legno ed uno di metallo).
Questa differenza può essere spiegata dal punto di vista microscopico, poiché il calore fornito fa aumentare l’energia cinetica delle molecole di metallo che sono immediatamente a contatto con la sorgente di calore. L’aumentare dell’energia cinetica di queste molecole comporta un aumento della vibrazione degli atomi rispetto alla posizione di equilibrio. In un cattivo conduttore questa propagazione, dovuta alla vibrazione molecolare, avviene più lentamente a causa di una struttura molecolare che rende più lento questo passaggio.
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La rapidità con cui il calore passa attraverso un determinato materiale si chiama corrente termica e si indica con il simbolo I (per analogia con il simbolo I della corrente elettrica che si introdurrà nell’elettromagnetismo). Sperimentalmente si osserva che la corrente termica che attraversa uno strato di materiale, di area S e di spessore l, è direttamente proporzionale alla superficie S attraversata e al salto termico ΔT (indicato anche come gradiente di temperatura ovvero come differenza di temperatura tra due posizioni in un oggetto).
Secondo quanto abbiamo detto il calore si trasmette per contatto da un corpo a un altro corpo a temperatura inferiore. In generale si dice che la trasmissione è per conduzione quando il calore passa da un corpo ad un altro attraverso una serie continua di mezzi materiali, senza che vi sia contemporaneamente un trasporto di materia.
La quantità di calore che si propaga nel tempo τ in regime stazionario attraverso il muro è dato dalla relazione di Fourier: Q=KS(t1-t2)τ/d, dove S è un elemento di superficie della parete e K, coefficiente di conducibilità termica, un fattore che dipende dal materiale. I materiali vengono distinti in buon conduttori se K è piuttosto grande e in isolanti se K è piuttosto piccolo. Il rame e l’argento quindi sono ottimi conduttori; il legno, il sughero, il vetro e i materiali plastici, l’acqua e l’aria sono cattivi conduttori.
Quando camminiamo a piedi nudi d’inverno preferiamo camminare su un tappeto, piuttosto che sulle mattonelle. Nei solidi e nei gas la propagazione può avvenire anche in altro modo. Le differenze di temperatura determinano in seno al fluido delle differenze di densità e si ha come conseguenza lo spostamento di porzioni del fluido fino al raggiungimento di un nuovo stato di equilibrio.
Convezione e Irraggiamento
La convenzione è la modalità di propagazione tipica dei liquidi e dei gas e avviene attraverso il rimescolamento della materia. Per esempio consideriamo il riscaldamento dell’acqua in una pentola; l’acqua che si trova a contatto con il fondo della pentola, riscaldandosi si dilata e diventa più leggera e sale, invece l’acqua della superficie che è più fredda e pesante, scende. Il riscaldamento rapido che porta rapidamente a ebollizione l’acqua contenuta in un bollitore ha luogo grazie alla convezione. E grazie alla convezione si salvano i pesciolini di Roberto.
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L’irraggiamento avviene quando il calore si trasmette senza che i due corpi si tocchino. Si parla spesso di calore ceduto da un corpo per irraggiamento. Come si può sperimentalmente verificare, la quantità di calore che un corpo può emettere nell’unità di tempo è proporzionale alla superficie S del corpo emittente e alla quarta potenza della sua temperatura assoluta.
Esempi di Conducibilità Termica
È credenza comune il fatto che i materiali metallici siano conduttori di calore, ma non tutti i metalli sono “buoni conduttori” allo stesso modo. A seconda del tipo di metallo, quindi, questa proprietà varia. Questo esperimento mette in evidenza che i “buoni conduttori” di calore non sono, in realtà, tutti ugualmente “buoni”. I dati qui raccolti sono in sintonia con i risultati dell’esperimento, in quanto l’acciaio ha minore conducibilità e l’alluminio è un miglior conduttore rispetto all'ottone e all’acciaio.
Ma qual è il materiale con la maggiore conducibilità termica? Il diamante. Il suo valore di conducibilità va da 9 a 26 delle unità in tabella. Questo lo rende, infatti, estremamente freddo al tocco.
Tabella di Conducibilità Termica (Esempio)
Cosa possiamo dedurre dalla seguente tabella? Ma come vedere la differenza?
| Materiale | Conducibilità Termica (W/mK) |
|---|---|
| Alluminio | 205.0 |
| Ottone | 109.0 |
| Acciaio | 50.2 |
| Rame | 401.0 |
| Diamante | 900-2600 |
Collegamento con la Vita Quotidiana
Perché la maniglia della porta sembra fredda? In genera la maniglia di metallo della porta sembra essere sempre più fredda della porta di legno.