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. Questo esperimento è parte di un percorso articolato in esperimenti complessivi rivolti all'approfondimento dei concetti di calore, di temperatura e della loro misura.
Concetti Chiave: Conduttori, Isolanti e Calore Specifico
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. Viene proposta la realizzazione di alcune attività relative alle proprietà del calore e al fenomeno della sua propagazione del calore, riportate nell'allegato Esperimenti sulla propagazione del calore.
Le attività proposte sono:
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- “I metalli conducono il calore”: presenta una situazione problematica inerente il calore, indagando come alcuni fili metallici conducono il calore, formulando ipotesi, misurando i tempi di trasmissione del calore e spiegando anche perché alcuni corpi li avvertiamo più freddi mentre altri più caldi.
- “I liquidi conducono il calore”: mostra come nei liquidi la trasmissione di calore avvenga con modalità diverse dai solidi, cioè per trasporto di materia.
- “Gli aeriformi conducono il calore": mostra che anche negli aeriformi la trasmissione di calore avviene per trasporto di materia, evidenziando che in uno stesso contenitore il fenomeno della convezione e quello della conduzione possono coesistere.
- "Differenze tra conduzione e convezione"; con esempio pratico si chiarisce meglio la differenza tra le due propagazioni.
- "Il calore si propaga anche senza correnti”; mostra che il calore può propagarsi anche senza contatto e senza trasporto di materia e illustra dettagliatamente il fenomeno dell'irraggiamento.
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.
Un’altra importante sua caratteristica è il calore specifico, che rappresenta (tradizionalmente) la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la massa unitaria di un corpo (1Kg).
Sperimentalmente possiamo verificare che la quantità di calore Q che un corpo di massa m acquista o cede quando è soggetto alla variazione di temperatura $\Delta T$ è dato da: $Q = mc\Delta T$. Q è una forma di energia, quindi si misura in joule (J); inoltre esso è:
- direttamente proporzionale alla massa m del corpo
- direttamente proporzionale alla variazione di temperatura $\Delta T$ subita dal corpo;
- dipendente dalla sostanza di cui è formato il corpo.
La costante di proporzionalità c è caratteristica del materiale e prende il nome di calore specifico:$$ c = \frac{Q }{m \Delta T}$$ Il calore specifico rappresenta la quantità di energia che l'unità di massa di una sostanza deve assorbire o cedere per aumentare o diminuire di un grado la propria temperatura. Nel Sistema Internazionale l'unità è espressa quindi in $\large{\frac{J}{kg\ K}}$; tradizionalmente è espressa in $\large{\frac{cal}{g\ °C }}$ .
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Nella tabella che segue sono riportati i calori specifici di alcune sostanze
| Sostanza | Calore Specifico (J/kg*K) |
|---|---|
| Acqua | 4186 |
| Alluminio | 900 |
| Ferro | 450 |
| Rame | 385 |
La capacità termica C di un corpo è il rapporto tra la quantità di calore Q che acquista o che cede e la conseguente variazione di temperatura $$ C = \frac{Q}{\Delta T}$$ Essa rappresenta la quantità di calore ceduto o assorbito da un dato corpo quando la temperatura varia di un grado kelvin; il suo valore è sempre positivo perché $ Q\ e \Delta T$ hanno lo stesso segno. La capacità termica C e data dalla relazione: $C = mc$. L’acqua è una delle sostanze che hanno capacità termica più elevata ed ha, quindi, una grande capacità di mantenere il calore assorbito. Per questo motivo l’acqua è una sostanza ideale in numerose applicazioni pratiche.
Esperimenti Pratici in Laboratorio
In laboratorio, si possono condurre esperimenti semplici ma efficaci per esplorare questi concetti. In ciascuno degli esperimenti sono stati utilizzati dei becker, acqua (calda e fredda), dell'inchiostro, un termometro da laboratorio per misurare le temperature.
Esperimento 1: Calore e Temperatura
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: due fornelli uguali, due becher uguali, acqua e due termometri.
- 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).
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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.
Nel primo test hanno messo sulla piastra riscaldante i due becker, contenenti diverse quantità d'acqua.
Esperimento 2: Conduttori e Isolanti 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.
Esperimento 3: Diffusione dell'Inchiostro in Acqua Calda e Fredda
Nel secondo esperimento hanno scaldato l'acqua di un solo becker sulla piastra, lasciando l'altro con acqua a temperatura ambiente; poi hanno lasciato cadere una goccia d'inchiostro in ognuno. Nel contenitore con l'acqua più calda il liquido si dissolveva prima, mentre nel secondo, dove l'acqua era fredda, rimaneva più compatto.
Calore e Temperatura: Una Breve Introduzione Storica
Nel XVII secolo cominciarono ad essere studiati ,scientificamente, i fenomeni termici, ma fu difficile capire quali grandezze fisiche dovevano essere prese in considerazione. Galileo Galilei supponeva che il calore fosse la conseguenza di una moltitudine di “corpicelli minimi o ignei” che si muovevano ad alta velocità,mentre le idee teoriche dominanti erano quelle della “Teoria del flogisto”.
La teoria del flogisto (dal greco “infiammabile”) proposta da un certo J.J. Becher (1635-1682) ,medico tedesco, che lavorava tra alchimia e chimica e perfezionata da un altro medico tedesco G.E. Stahl (1660-1734) consisteva nel presupporre l’esistenza di una sostanza chiamata “flogisto” che si liberava sia quando veniva bruciato materiale organico, sia trattando materiali con il calore in aria libera. Siccome in alcuni processi chimici ,nei quali il flogisto si pensava doveva essere eliminato, il peso dei prodotti ottenuti era maggiore rispetto alle sostanze di partenza,si ipotizzò che avesse peso negativo o privo di peso.
La teoria del flogisto dovette soccombere a causa dell’opera di A.L. Lavoisier (1743-1794) attraverso l’uso sistematico della bilancia analitica nello studio delle reazioni chimiche. Egli dimostrò che i processi di combustione e ossidazione coinvolgono l’ossigeno dell’aria e non una fuoriuscita del flogisto.
Ma che cosa era il calore? Secondo alcuni il calore era una sostanza “il calorico” dotata o no di peso, secondo altri il calore era una specie di moto, probabilmente una vibrazione. La prima ipotesi la si deve a Lavoisier: per spiegare i fenomeni termici , egli ritenne opportuno supporre l’esistenza di un fluido “il calorico” straordinariamente elastico, indistruttibile ed estremamente sottile per poter penetrare nei corpi quando venivano scaldati o fuoriuscirne quando venivano raffreddati; doveva, inoltre, anche, essere privo di peso, al fine di dare conto dei dati sperimentali nei fenomeni di riscaldamento o di raffreddamento.
La teoria del calorico,però, non riusciva a spiegare alcuni fenomeni: per fondere il ghiaccio lo si deve scaldare e si osserva che durante il passaggio dalla fase solida a quella liquida la temperatura resta costante. Ci si chiedeva dove andasse a finire il calore fornito durante il passaggio di fase. Era anche noto che un corpo si scalda per attrito. Ci si chiedeva da dove provenisse quel calore.
Il fisico Thomson (1753-1814), osservando il calore sviluppato durante il processo di alesatura dei cannoni con la produzione di trucioli metallici incandescenti, concluse che:“La sorgente del calore generato per attrito,in questi esperimenti, appariva manifestamente inesauribile ..” Quindi ,pensava,una cosa che può essere fornita senza limitazioni,non può essere una sostanza materiale,ma doveva essere legata al movimento.
Questa idea , in realtà,riprendeva un’ipotesi maturata nello studio dei gas ad opera dei fisici Boyle e Bernoulli. Quest’ultimo introdusse un modello cinetico molecolare, per spiegare il moto dei fluidi gassosi: i gas sono un insieme di particelle microscopiche perfettamente elastiche, in moto caotico e quindi sottoposte ad urti reciproci. Thomson riconduceva il calore al movimento di particelle materiali,le variazioni di temperatura alla loro velocità e la trasmissione del calore alle leggi meccaniche dell’urto.
Il lavoro di Thomson ,però,non servì ad accantonare la teoria del calorico che invece continuò a coesistere con la teoria cinetica fino alla metà del XIX secolo. Infatti la teoria del calorico spiegava, attraverso il concetto di calore latente, i fenomeni fisici in cui il calore sembrava scomparire. Il fluido calorico immagazzinato nei corpi si troverebbe nascosto (appunto latente) e si renderebbe “visibile” in determinate condizioni (per esempio con l’attrito).
Il fisico H. Davy (1778-1829) con un semplicissimo esperimento (è possibile fondere due pezzi di ghiaccio attraverso l’azione di sfregamento reciproco) fece accantonare definitivamente la teoria del calorico.
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