Temperatura ed energia

1. Temperatura ed energia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Concetti 1) separazione dei concetti di temperatura, energia, quantità di calore 2) trasformazioni di energia, energia trasferita, energia chimica, potenza 3) trasformazioni di energia, energia trasferita, energia radiante 4) trasformazioni di energia, energia trasferita, degradazione dell’energia 5) consumi energetici, costi energetici 6) trasformazioni di energia • Attività • Misurare la temperatura, calcolare la variazione di energia • Misurare la massa e la temperatura, calcolare la variazione di energia • Misurare la temperatura, calcolare la variazione di energia • Sfregare per riscaldare • Calcolare per capire • Associare energie diverse 1) L’acqua calda 2) La fiamma 3) Barattoli che si scaldano al Sole 4) Ditale, sabbia, cordino e... 5) Le bollette dell’energia 6) Il serpentone dell’energia V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino “S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007” temperatura-1

2. Temperatura ed energia Variazione di energia termica = calore specifico · massa · differenza di temperatura E = c · m ·  T PED Fisica classe A059 Consegna: tutto quello che si può fare con barattoli, sabbia, candele e termometri 1 caloria è la quantità di energia necessaria per far salire di 1 grado centigrado la temperatura di 1 g di acqua • Occhiello energia termica • un oggetto caldo, messo a contatto con oggetti meno caldi, gradualmente diminuisce la sua temperatura, mentre gli oggetti con cui viene a contatto la aumentano, • gli oggetti, per il fatto di essere più o meno caldi, possiedono una energia interna, detta energia termica, e la variazione di temperatura è la spia che indica che dell’energia sta passando da un oggetto all’altro. • l’oggetto caldo trasferisce energia agli oggetti più freddi con cui viene a contatto, • l’energia termica è sempre trasferita dagli oggetti a temperatura più alta agli oggetti a temperatura più bassa 1 caloria è equivalente a 4,18 joule • Occhiello temperatura • la temperatura di un oggetto o di un ambiente si misura con il termometro, • il termometro è uno strumento tarato (dotato di una scala graduata in una unità di misura opportunamente scelta), • l’unità di misura della temperatura è il grado centigrado, indicato con il simbolo ° C, • il termometro basa il suo funzionamento sulla presenza di una sostanza termometrica (gassosa, liquida, solida) dotata di una proprietà fisica (volume, pressione, lunghezza, colore …) sensibile alle variazioni di temperatura, • quando il termometro è posto a contatto con un oggetto o ambiente di temperatura diversa dalla sua, assorbe calore o cede calore fino a portarsi alla stessa temperatura dell’oggetto o dell’ambiente, • il calore assorbito o ceduto provoca la variazione della proprietà fisica della sostanza termometrica contenuta nel termometro e, di conseguenza, l’indice sulla scala o il display indicano il valore della temperatura raggiunta. • L’energia che viene dal Sole • l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura, • questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe, • anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante, • l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa dell’oggetto, dalla superficie esposta e dalla sostanza di cui è fatto. • Le forme dell’energia interna • termica, associata alla temperatura del corpo; • chimica: si trasforma con una reazione chimica • dello stato fisico della materia: si trasforma nei passaggi di stato • nucleare: si trasforma in una reazione nucleare temperatura -2

3. L’acqua calda Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: riscaldatore elettrico, bicchieri e contenitori, termometri, bilancia, acqua, dado di bullone • Attività: • pesare 100 cc di acqua nel contenitore, misurarne la temperatura, • versare 100 cc di acqua nel bicchiere del riscaldatore elettrico, riscaldare e misurare la temperatura; • versare rapidamente nel contenitore contenente acqua a temperatura ambiente, mescolare e misurare la temperatura finale; • calcolare la la variazione di energia termica dell’acqua calda e dell’acqua a temperatura ambiente. • Ripetere misure e calcoli riscaldando una quantità minore di acqua • Pesare il dado di bullone, misurarne la temperatura (temperatura ambiente) • Interdisciplinarietà: • scienza in cucina: cuocere i cibi • Concetti: • L’acqua calda ha temperatura più alta dell’acqua a temperatura ambiente, quindi una certa quantità di energia passa dall’acqua calda a quella più fredda finché si raggiunge l’equilibrio termico. • L’energia si conserva: la quantità di energia persa dall’acqua calda viene acquistata dall’acqua fredda. • È la differenza di temperatura che conta, non la differenza di energia; infatti anche se c’è poca acqua calda, l’energia passa egualmente Sicurezza Riscaldando oggetti, anche se a temperature modeste, si presti particolare attenzione alla eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o portatori di certi tipi di handicap • Riferimenti: • www.iapht.unito.it Aspetti didattici: - temperatura, energia termica e calore sono grandezze fisiche diverse temperatura -3a

4. L’acqua calda • La fisica: • Ciò che passa dall’acqua calda all’acqua fredda è energia termica : l’acqua calda perde energia, l’acqua fredda ne acquista, E = csp m  T • la variazione di temperatura di un oggetto per effetto del trasferimento di energia termica dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto (calore specifico) • Chiamiamo “calore” l’energia termica che viene trasferita dal corpo caldo a quello più freddo Contesto: - l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia - il calcolo della variazione di energia va adattato alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore temperatura -3b

5. La fiamma Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: fornelli ad alcool, candele, pentolini, termometri, bilancia, cronometro • Attività: • pesare il pentolino, versare una certa quantità di acqua e ripesare in modo da avere il peso netto dell’acqua, • pesare la candela (o il fornello riempito di alcool) e accenderla sotto il pentolino, facendo partire il cronometro, • misurare la temperatura dell’acqua a intervalli regolari di tempo, • raccogliere in modo ordinato sulla lavagna i valori di tempo e temperatura • calcolare la quantità di calore che è stata necessaria per raggiungere la temperatura finale • Interdisciplinarietà: • scienza in cucina: cuocere i cibi, • passaggi di stato • Concetti: • l’energiachimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica, una fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura, • più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma, che passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura, • l’aumento di temperatura di un oggetto dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto, • a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è maggiore Sicurezza Utilizzando fiamme, anche se modeste, si presti particolare attenzione alla eventuale presenza di ragazzi non ancora rispettosi delle regole e/o portatori di certi tipi di handicap • Riferimenti: • www.iapht.unito.it Aspetti didattici: - è possibile utilizzare l’energia chimica immagazzinata nei combustibili per trasformarla in energia termica e riscaldare altri oggetti temperatura -4a

6. La fiamma • La fisica: • l’energiachimica della candela (o dell’alcool) produce, mediante una reazione chimica, una fiamma calda che riscalda gli oggetti e fa aumentare la loro temperatura, • più passa il tempo, più energia chimica si trasforma in energia termica della fiamma e in calore che passa negli oggetti (pentolino, acqua), più cresce la loro temperatura, • l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto del calore, dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto, • a parità di energia trasferita, si impiega un tempo minore se la potenza della fiamma è maggiore • nota bene • si può calcolare l’energia chimica che si è trasformata in energia termica dell’acqua dalla relazione • E = csp m  T, usando per il calore specifico dell’acqua csp = 1 cal/g°C  4 J/g°C • dividendo la quantità di calore assorbito per il tempo impiegato si ottiene un limite inferiore per la potenza della fiamma (che conviene esprimere in watt) • dividendo l’energia scambiata per la massa di candela o di alcool consumati, si ha un’idea del potere calorifico del combustibile usato Contesto: - l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia - la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media - il calcolo dell’energia scambiata, della potenza e del potere calorifico dei combustibili va adattato alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore temperatura -4b

7. Barattoli che si scaldano al Sole Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: due barattoli di latta identici, tipo quelli in cui si vende il caffè, vernice opaca bianca e nera, due termometri • Attività: • dipingere uno dei barattoli con la vernice opaca bianca e l’altro con vernice opaca nera • infilare in ciascuno un termometro in modo che stia ben a contatto con la parete interna • esporli poi al Sole, avendo cura che i raggi li colpiscano almeno in parte sulla superficie laterale dipinta e misurare le temperature a intervalli regolari di tempo (in mancanza di sole, si può usare una lampada a incandescenza di almeno 60 W) • portarli all’ombra e misurare come si raffreddano a intervalli regolari di tempo • Attacco: • vacanze al mare (camminare sulla spiaggia a mezzogiorno) • estate in città (abiti chiari e abiti scuri) • Concetti: • l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura, • questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe, • anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante, • più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura, • l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto • il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia solare, • quando il barattolo viene allontanato dalla sorgente di energia, si raffredda perdendo energia fino a raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente Dove e quando: - preferibilmente l’esperimento si dovrebbe svolgere nel cortile o nel giardino della scuola, in un punto ben illuminato dal sole e possibilmente in una calda giornata di primavera o estate. Aspetti didattici: - è possibile utilizzare l’energia radiante emessa da una sorgente per riscaldare altri oggetti • Riferimenti: • www.iapht.unito.it temperatura -5a

8. Barattoli che si scaldano al Sole • La fisica: • l’energia emessa dal Sole può riscaldare gli oggetti e fare aumentare la loro temperatura, • questo tipo di energia viene chiamata energia radiante perché, attraverso i raggi luminosi, viaggia nello spazio dalla sorgente che la emette all’oggetto che la assorbe, • anche una lampadina accesa o una fiamma o un tizzone incandescente emettono energia radiante, • più passa il tempo, più energia solare colpisce l’oggetto, più cresce la sua temperatura, • l’aumento di temperatura di un oggetto per effetto dell’energia radiante, dipende dalla massa dell’oggetto e dalla sostanza di cui è fatto, • il barattolo scuro si scalda più rapidamente perché assorbe più efficacemente l’energia solare, • l’aumento di temperatura non continua all’infinito, perché più cresce la temperatura e più energia viene persa dal barattolo per conduzione e per irraggiamento, per cui si raggiunge una temperatura di “equilibrio dinamico”, • quando il barattolo viene allontanato dalla sorgente di energia, si raffredda perdendo energia fino a raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente Contesto: - l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia - la rappresentazione grafica dei dati raccolti è consigliata a tutti i livelli, a partire dalla prima media temperatura -5b

9. Sfregare per riscaldare Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: una tavoletta di legno quadrata di circa 15 cm di lato, un ditale, un pezzo di spago di circa 50 cm, un po’ di sabbia e un termometro digitale per ambienti, del tipo “interno-esterno”, corredato di puntale sensibile Aspetti didattici: - è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso l’attrito • Attività: • fare nella tavoletta un foro nel quale possa essere infilata la parte inferiore (chiusa) del ditale (il ditale deve rimanere ben fissato nella tavoletta ma emergere dalla tavoletta stessa per metà circa della sua altezza) • riempire il ditale di sabbia fin quasi al bordo e inserite il puntale del termometro nella sabbia • rilevare la temperatura iniziale (che si legge sul display corrispondente alla temperatura “esterna”) • prendere poi le due estremità dello spago, passare lo spago intorno al ditale e tirarlo alternativamente in un senso e nel senso opposto, facendo in modo che esso sfreghi contro la superficie esterna del ditale • agire con una certa forza tenendo il cordino ben teso in modo che ci sia un buon attrito contro il ditale • rilevare la temperatura segnata dal termometro nella sabbia, a intervalli regolari di tempo Attacco: -vita “primitiva” (Robinson Crusoe) - esperienze di “sopravvivenza” (trasmissione televisiva “L’isola dei famosi”) • Riferimenti: • www.iapht.unito.it • Concetti: • è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso l’attrito, • l’ energia di movimento può essere trasformata in energia termica, • in tutti i passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere difficile scoprire sotto che forma o in quale oggetto è finita. Aspetti didattici: temperatura -6a

10. Sfregare per riscaldare • La fisica: • è possibile utilizzare il moto di un oggetto per riscaldare altri oggetti attraverso l’attrito, • l’energia di movimento può essere trasformata in energia termica, • in tutti i passaggi e le trasformazioni di energia, l’energia non si distrugge mai, anche se può essere difficile scoprire sotto che forma o in quale oggetto è finita, • tuttavia l’energia si degrada, perché rimane in una forma meno utile • nota bene • l’energia che si è trasformata in energia termica della sabbia e del ditale è data dalla quantità di calore E = csp m  T (per il calore specifico della sabbia usare csp  0,2 cal/g°C  0,8 J/g°C) • si può valutare quanto lavoro è stato fatto stimando (o misurando con un dinamometro) la forza F necessaria per sfregare con il cordino contro il ditale e moltiplicandola per lo “spostamento” s fatto fare al cordino e per il numero di volte che l’operazione si è ripetuta per ottenere l’aumento di temperatura  T • il confronto fra le due energie permette di valutare quanta energia è andata “dispersa” Contesto: - la conduzione delle prove di sfregamento è fattibile a tutti i livelli - l’uso dello strumento di misura (termometro) è consigliato a partire dalla prima media nell’ambito di attività di metrologia - il calcolo dell’energia trasformata e la discussione relativa alle trasformazioni dell’energia vanno adattati alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore temperatura -6b

11. Le bollette dell’energia • Attività (da fare a casa) • La "bolletta" dell'energia elettrica • Procuratevi una "bolletta" dell'energia elettrica. • Leggete la potenza massima prevista dal contratto • Controllate in quali unità di misura è espressa la quantità di energia usata nel periodo relativo alla bolletta. Se è espresso in kWh, trasformatela in MJ (1 megajoule= 1 milione di joule). • Esaminate il costo per kWh; di solito è dato un costo "scalare": il costo è più basso per la prima fascia di consumo, poi sale per consumi crescenti. Calcolate il costo medio per kWh e per MJ. • Esaminate se sulla bolletta compaiono altri costi (es. tasse, spese fisse, ecc.) e cercate di stimare quanto gravano sul totale rispetto a quanto pagato per il vero consumo. • La "bolletta" del gas • Procuratevi una "bolletta" dei consumi del gas metano. • - Controllate in quali unità di misura è espresso il consumo nel periodo relativo alla bolletta. Probabilmente sarà espresso in m3, viene cioè misurato il volume di gas consumato. Sulla bolletta dovrebbe essere indicata anche quanta energia corrisponde a 1 m3 (se non lo è, usate il valore approssimato di 40 MJ per m3): calcolate quindi quanto è stato il consumo in MJ. • - Esaminate il costo per m3 dato sulla bolletta: probabilmente è dato un costo "scalare", il costo è cioè più basso per la prima fascia di consumo, poi sale per le fasce crescenti. Calcolate il costo medio per m3. Sapendo che 1 m3 equivale a circa 40 MJ, calcolate il costo medio per MJ. • - Confrontate questo costo medio per MJ con il costo medio per MJ dell'energia elettrica e discutete quale delle due forme di energia è più conveniente. • - Esaminate se sulla bolletta compaiono altri costi (es. tasse, spese fisse, ecc.) e cercate di stimare quanto gravano sul totale rispetto a quanto pagato per il vero consumo. temperatura -7

12. Energia: il serpentone dell’energia Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059 Oggetti: cartoncini di uguali dimensioni, matite colorate, forbici ….. • Attività: • preparare due tipi di cartoncini, sui quali siano stati: • - scritti i “descrittori” (o “parole chiave”) relativi ai diversi tipi di energia di cui si è parlato (semplificando al massimo la nomenclatura … energia di movimento invece di energia cinetica, energia dei cibi invece di energia chimica, ….); • - disegnati alcuni dispositivi o situazioni ambientali in cui entrano in gioco certi tipi di energia per trasformarla, oppure immagazzinarla. • Come giocare • dividere i giocatori in gruppi, in seno ai quali sarà nominato un capogruppo che avrà il compito di agire in qualità di portavoce • distribuire un uguale numero di “carte-scritte” e di “carte-disegnate” a tutti i capogruppo, i quali a loro volta le affideranno ai propri compagni che le disporranno bene in vista davanti a sé, in attesa di utilizzarle • posta sul tavolo la prima “carta–scritta”, calare a turno una “carta-disegnata” abbinandola al tipo di energia indicata dalla “carta-scritta” che si trova già sul tavolo, altrimenti “passare” il gioco al gruppo successivo, il qualecalerà la “carta-scritta” che esprime il tipo di energia che il dispositivo, rappresentato dalla carta in tavola, è in grado di fornire oppure utilizzare o trasformare o immagazzinare (altrimenti “passare” il gioco o “attaccarsi” in modo analogo all’altro lato del “serpentone”) • successivamente calare sul tavolo una carta (alternando scritti e disegni) con le modalità di collegamento di cui sopra • Aspetti didattici: • le proprietà dell’energia • il percorso creatosi con il “gioco del domino” aiuta a visualizzare che alcuni oggetti o situazioni sono dei veicoli per trasferire o per trasformare l’energia Concetti: - l'energia può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, - trasformarsi da una forma all’altra, essere immagazzinata; - passando o trasformandosi fa “cose utili”, si conserva; - di conseguenza non si può creare né distruggere, - ci sono forme di energia “più utili” di altre • Riferimenti (dove, come e per chi): • . S.M.S Fermi di Burolo - Attività di Lab. Scientifico (A) • www.iapht.unito.it (L) Attacco: gioco del domino Energia-9a temperatura –8a

13. Energia: il serpentone dell’energia • La fisica: • l’energia può assumere forme diverse, passare da un corpo all’altro, trasformarsi da una forma all’altra, essere immagazzinata; passando o trasformandosi, fa “cose utili • nota bene • - si possono costruire delle “catene energetiche” collegando fra di loro diverse azioni oppure oggetti che “operano” la trasformazione o il trasferimento di energia • Contesto: • la conduzione dell’ attività ludica è fattibile a tutti i livelli, anche in previsione di un raccordo con la scuola elementare e dell’infanzia • - le considerazioni circa le diverse forme dell’energia e le relative trasformazioni possono essere condotte a partire dalla prima media (o anche dal secondo ciclo della scuola elementare) temperatura –8b