Il calore, noto anche come energia termica, gioca un ruolo fondamentale nelle trasformazioni della materia. In natura, il calore si trasferisce sempre da un corpo più caldo a uno più freddo. Per quantificare il calore di un corpo, si misura la sua temperatura con un termometro, utilizzando il grado centigrado (°C) come unità di misura. Ad esempio, 0 °C corrispondono alla temperatura di fusione del ghiaccio, mentre 100 °C indicano la temperatura di ebollizione dell'acqua.
Come il Calore Influisce sulla Materia
Quando forniamo calore a una sostanza, trasmettiamo energia alle sue molecole. Se prendiamo un cubetto di ghiaccio tra le mani, questo si scioglie perché il calore delle mani viene trasferito al ghiaccio, aumentandone la temperatura e cambiandone lo stato da solido a liquido.
Esempi di Conduzione del Calore
Immaginiamo un cucchiaio di metallo immerso in acqua bollente: si riscalda rapidamente. Questo avviene perché i metalli sono ottimi conduttori di calore, a differenza di materiali come legno, lana, plastica e sughero, che sono isolanti.
Esperimenti Pratici con l'Acqua e il Ghiaccio
Un esperimento interessante consiste nell'osservare l'acqua a diverse temperature. Iniziando con acqua fresca, si può misurarne la temperatura con un termometro. Aggiungendo ghiaccio, si nota come la temperatura diminuisce. Questo perché il ghiaccio assorbe il calore dall'acqua circostante per fondere.
Il Passaggio di Stato
Questo fenomeno è noto come passaggio di stato e si verifica quando si aggiunge o si sottrae calore. Facciamo notare che l’acqua si sistema sempre formando una linea orizzontale: al mare lo possiamo osservare bene con quello che viene definito orizzonte, la linea in cui acqua e cielo sembrano toccarsi. Esiste uno strumento, la livella a bocca, che aiuta i muratori a costruire muri belli dritti.
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Discutiamo sul perché di questo fenomeno: l’acqua diventa ghiaccio (quindi dallo stato liquido passa a quello solido) con il cambiamento della temperatura… che dev’essere molto bassa! “Affinché l’acqua diventi ghiaccio la temperatura deve scendere allo 0 e oltre. Il congelatore del frigorifero ha questa caratteristica ma quando il ghiaccio viene portato fuori deve avere a che fare con la temperatura esterna… che, nel nostro caso, è decisamente più alta. Figuriamoci le vostre mani!” - “E se mettessi questi cubetti di ghiaccio nell’acqua che avete toccato prima?“. Alcuni sono sicuri: il ghiaccio si scioglierà… e poi, sollecitati nel riflettere sulla temperatura, farà diventare l’acqua più fredda.
Cerco di farglielo capire in maniera semplice perché nello specifico lo affronteremo l’anno prossimo: “L’acqua subisce una vera e propria trasformazione. Con il freddo le sue particelle si uniscono in maniera diversa… creando come degli spazietti al loro interno… pensate a dei palloncini che lasciano una spazietto tra l’uno e l’altro una volta messi dentro un contenitore. Beh, questi spazietti fanno si che il ghiacci sia più leggero dell’acqua e quindi galleggia.
Altri Esempi di Trasformazioni con il Calore
- Combustione: Reazione chimica tra sostanze (benzina, alcol, legno, ecc.) e ossigeno ad alte temperature.
- Attrito: Strofinamento di due corpi che genera calore.
- Trasformazione dell'energia: Conversione di una forma di energia in un'altra, producendo calore (es. energia elettrica in luce e calore in una lampadina).
Conduttori e Isolanti
- Conduttori: Metalli che assorbono e trasmettono il calore rapidamente.
- Isolanti: Legno, lana, plastica, sughero che resistono al passaggio del calore.
Il Concetto di Energia
In tutti i fenomeni di interazione, c'è una sorgente, un trasferimento, un utilizzo e una degradazione. La causa di queste trasformazioni è l'energia. Per illustrare la catena energetica, si possono riordinare le osservazioni dei gruppi di lavoro, chiedendo di precisare la sorgente, il mezzo di trasmissione, l'utilizzatore e le forme di degradazione dell'energia.
Per rinforzare il concetto l’insegnante apre un fermaglio e lo piega ripetutamente. Gli allievi ripeteranno l’esperimento e sentiranno sulle labbra che il fermaglio si è riscaldato. Nell’interazione con le mani si è trasferita energia al fermaglio. L’aumento di temperatura testimonia che l’energia interna del fermaglio è aumentata.
Esperimenti Quantitativi
Le esperienze che seguono hanno carattere quantitativo e quindi sono idonee per il livello della scuola media. Esse prevedono l’introduzione delle unità di misura dell’energia più usate: il joule (J) e la caloria (cal). Per acquisire confidenza con tali unità si possono utilizzare le etichette degli ingredienti dei prodotti alimentari, che spesso riportano il contenuto energetico dei cibi in entrambe le unità. Avendo a disposizione diverse di queste etichette si potrà calcolare il rapporto joule/calorie, che risulterà pari a circa 4,2. Negli esperimenti seguenti, in cui avverrà l’emissione o l’assorbimento di calore, basterà conoscere la quantità di acqua (in grammi o in millilitri) posta in un bicchiere isolato di polistirolo espanso e la variazione di temperatura da essa subita, per calcolare l’energia transitata in calorie. Le calorie complessive saranno ottenibili dalla moltiplicazione “tutti i grammi di acqua x tutti i gradi di aumento di temperatura di ciascun grammo”.
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Un’altra unità di misura correlata con l’energia, e utilizzata nella vita di tutti i giorni è il watt (W). Esso misura la velocità di utilizzo dell’energia (potenza), in joule al secondo. Una lampadina a incandescenza da 40 W assorbe un’energia di 40 joule per ogni secondo di funzionamento. Una macchina molto potente trasforma molta energia ogni secondo (si parla di kilowatt, cioè migliaia di joule al secondo). Il corpo umano in normale attività consuma circa dieci milioni di joule al giorno (tanto è l’apporto energetico di 2500 kcal). Dato che in un giorno ci sono 86400 secondi, il consumo medio è di circa 120 joule al secondo, cioè 120 watt. L’energia ha un costo. Nella bolletta ENEL, si pagano mediamente intorno a 30 centesimi di euro ogni 1000 kilojoule (circa 0,1 € al kilowattora). Il costo dell’energia dalla combustione della benzina è di circa 4 eurocent ogni 1000 kilojoule, quindi inferiore, ma occorre considerare che se si vuole convertire l’energia della combustione in energia elettrica, con un “generatore”, i rendimenti sono molto bassi, dell’ordine del 20%, senza considerare il rumore e l’inquinamento prodotti in prossimità dell’utilizzatore.
Tabella dei Materiali e la Loro Conducibilità Termica
| Materiale | Conducibilità Termica |
|---|---|
| Metalli (es. rame, alluminio) | Alta |
| Legno | Bassa |
| Lana | Bassa |
| Plastica | Bassa |
| Sughero | Bassa |
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