Indice. 3 Calore e temperatura 33. Per ogni unità in. 1 Per fare scienze 1. 4 Effetti e propagazione del calore 55

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1 Indice Per ogni unità in una mappa interattiva un test di verifica interattivo con punteggio finale un audioripasso esperimenti, osservazioni e schemi animati, raccolti nella sezione Il tuo laboratorio 1 Per fare scienze 1 Fare scienze significa... 2 Scienze e non scienza 4 Raccogliere e rappresentare dati 6 Misurare una grandezza 8 I sistemi di misura anglosassoni 10 Strumenti per misurare 11 Il laboratorio scientifico 12 Salute e sicurezza Segnali di sicurezza 14 DA RICORDARE Materia e stati di aggregazione 19 Materia, sostanze e corpi 20 Massa e peso 22 Densità e peso specifico 24 La teoria atomica della materia 25 Gli stati di aggregazione 26 Che cosa caratterizza i tre stati? 28 Stati intermedi della materia 29 DA RICORDARE Calore e temperatura 33 Che cos è il calore? 34 Che cos è la temperatura? 36 Altre scale termometriche 38 Misuriamo il calore 39 I cambiamenti di stato 40 Solidificazione e fusione 41 Vaporizzazione e condensazione 42 Sublimazione e brinamento 44 Il calore latente 45 Vari tipi di termometro 46 Dalla sabbia... il vetro 48 Salute e sicurezza I pericoli del caldo e del freddo 49 DA RICORDARE Effetti e propagazione del calore 55 La dilatazione termica 56 Il calore specifico 58 Il calore si propaga 59 L equilibrio termico 60 La conduzione 61 La convezione 62 L irraggiamento 63 Assorbire o riflettere calore? 64 La conducibilità termica 65 Conduttori e isolanti 66 Conduttori cattivi ma... utili 67 Salute e sicurezza Pericolo ustioni 68 DA RICORDARE IV

2 5 Il movimento 73 Fermi o in movimento? 74 Il moto e i suoi elementi 76 Vari tipi di moto 77 Misuriamo il tempo e lo spazio 78 La velocità 79 Il moto rettilineo uniforme 80 Il diagramma del moto rettilineo uniforme 81 Il moto vario 82 Il diagramma di un moto vario 83 L accelerazione 84 Il moto uniformemente accelerato 85 La caduta libera dei corpi 86 Il diagramma del moto uniformemente accelerato 88 Strumenti per misurare la velocità 89 DA RICORDARE Forze e movimento 93 Che cos è una forza 94 Caratteristiche e misura della forza 95 Composizione di forze 96 Il primo principio della dinamica 98 Effetti del principio d inerzia 99 L attrito 100 Il secondo principio della dinamica 102 Il terzo principio della dinamica 104 Storia delle scienze Galileo Galilei 106 Isaac Newton 107 DA RICORDARE L equilibrio dei corpi 113 Forze in equilibrio 114 L equilibrio statico di un corpo 115 Peso e baricentro 116 Determiniamo il baricentro 117 L equilibrio di un corpo sospeso 118 L equilibrio di un corpo appoggiato 119 Le forze nei liquidi 120 Il principio di Archimede 121 Galleggia o affonda? 122 Osservazioni sul peso specifico 124 Il nostro equilibrio 125 Come fa una pesante nave a galleggiare? 126 L aria e la spinta di Archimede 128 Storia delle scienze Il grande Archimede 129 DA RICORDARE Le leve 135 Per... vincere le forze 136 Le macchine semplici 137 Come funziona una leva? 138 L uso delle leve è sempre vantaggioso? 140 Tipi di leva 141 Il calcolo della potenza 142 Il piano inclinato 143 La vite e il cuneo 144 La carrucola, una particolare leva 145 Storia delle scienze 5000 anni fa... in Egitto 146 DA RICORDARE V RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

3 9 La meccanica dei liquidi 151 Le proprietà dei liquidi 152 La pressione idrostatica 153 I fattori da cui dipende la pressione idrostatica 154 Liquidi in quiete 156 Particolari... vasi comunicanti 157 Liquidi in movimento 158 Coesione e adesione 160 La pressione in fondo al mare 162 Per l ambiente Non sprechiamo l acqua 163 DA RICORDARE Dentro la materia 167 Fenomeni fisici e fenomeni chimici 168 Atomi e molecole 169 Struttura e caratteristiche dell atomo 170 Gli isotopi 172 La tavola periodica degli elementi 173 Tavola periodica degli elementi 174 Metalli e non metalli 176 Simboli e formule 177 I legami chimici 178 La valenza 180 Ioni positivi e ioni negativi 181 I legami ionico, covalente e metallico 182 Salute e sicurezza Elementi e salute 184 Storia delle scienze La storia dell atomo 186 DA RICORDARE I fenomeni chimici 193 Le reazioni chimiche 194 Reagenti e prodotti 195 Le equazioni chimiche 196 La legge di Lavoisier 197 La legge di Proust 198 I principali composti chimici 199 Ossidi e idrossidi 200 Anidridi e acidi 202 I sali 204 Sostanze acide, basiche e neutre 206 Gli indicatori 208 Riconosciamo l acidità di alcune sostanze 209 Ossidazione e combustione 210 Per l ambiente Le piogge acide 211 DA RICORDARE La chimica del carbonio 215 Il carbonio 216 I composti del carbonio 218 Perché chimica organica? 220 Gli idrocarburi 221 Gli zuccheri 222 Gli alcoli 223 Le materie plastiche 224 Per l ambiente La plastica biodegradabile Un aiuto all ambiente 225 DA RICORDARE VI

4 13 Lavoro ed energia 229 Il lavoro 230 Misuriamo il lavoro 231 Lavoro, forza e spostamento 232 La potenza 233 Il concetto di energia 234 Energia potenziale ed energia cinetica 236 L energia meccanica 238 L energia non si crea né si distrugge 239 Catene energetiche 240 Il degrado energetico 242 DA RICORDARE Fonti energetiche 247 Il Sole, fonte primaria di energia 248 Altre fonti energetiche 250 Le centrali termoelettriche e termonucleari 252 La radioattività 254 Centrali per energia idrica e geotermica 256 Pannelli solari e celle fotovoltaiche 257 Venti e biomassa 258 Per l ambiente Energia e ambiente 260 DA RICORDARE Fra le onde sonore 265 Che cos è un onda? 266 Caratteristiche di un onda 268 Vari tipi di onde 269 Il suono: onde sonore 270 La velocità del suono 272 Caratteristiche del suono: la frequenza 274 L intensità del suono 275 Il timbro 276 La riflessione: eco e rimbombo 277 La risonanza 278 Casse di risonanza 279 Sonar ed ecografia 280 L effetto Doppler 281 Muro del suono e bang supersonico 282 Salute e sicurezza Il rumore è pericoloso 283 DA RICORDARE L elettricità 289 Cariche elettriche ed elettricità 290 Elettricità positiva e negativa 292 L elettrizzazione dei corpi 293 Conduttori e isolanti 294 L elettroscopio 295 La corrente elettrica 296 La pila, un generatore di corrente 298 I circuiti elettrici 299 Le grandezze elettriche 300 I fulmini, elettricità nell atmosfera 302 Che cos è e come funziona il parafulmine? 303 Salute e sicurezza Sicuri con la corrente elettrica 304 Per l ambiente Il problema energetico 305 DA RICORDARE Il magnetismo 309 Magneti e poli magnetici 310 VII

5 I magnetini elementari 312 La forza magnetica 313 La magnetizzazione 314 Il magnetismo terrestre 315 La bussola magnetica 316 L elettromagnetismo 317 L elettrocalamita 318 L induzione elettromagnetica 319 La levitazione magnetica 320 Storia delle scienze Il magnetismo diventa scienza 321 DA RICORDARE Luce e radioonde 325 Le onde elettromagnetiche 326 La luce 328 Fenomeni luminosi 330 La riflessione e le sue leggi 331 Immagini allo specchio 332 Le rifrazioni e le sue leggi 334 Rifrazione, lenti e immagini 336 Lo spettro luminoso 338 La visione dei colori 340 Le radioonde 341 Le trasmissione radiofoniche 342 L anno luce 344 Miraggio e fata morgana 345 La luce laser 346 Storia delle scienze Una storia travagliata 347 DA RICORDARE VIII

6 FISICA E CHIMICA 3 Calore e temperatura PREREQUISITI Conoscere le proprietà e le caratteristiche della materia Conoscere gli stati di aggregazione della materia OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il significato di calore e di temperatura e i loro sistemi di misurazione I cambiamenti di stato e le loro caratteristiche Ciò che saprai fare Riconoscere la diversità fra i concetti di calore e di temperatura Individuarne i metodi di misura Individuare i cambiamenti di stato comprendendone cause e modalità Percorso di studio Che bello d inverno appoggiarsi a un termosifone che emana tanto calore. Ma che cos è questo calore? Nella mia stanzetta c è una temperatura di 21 gradi. Perché dico temperatura e non calore? Che cos è il calore? Che cos è la temperatura? Ho messo del ghiaccio nel bicchiere, ma dopo un po si è sciolto. Ho trovato acqua, perché? I cambiamenti di stato Solidificazione e fusione Misuriamo il calore Vaporizzazione e condensazione Questa mattina sulle foglie d erba del giardino ho trovato la brina. Come si è formata? Altre scale termometriche Il calore latente Vari tipi di termometro Dalla sabbia... il vetro Sublimazione e brinamento I pericoli del caldo e del freddo

7 FISICA E CHIMICA Che cos è il calore? Attraverso i nostri sensi siamo in grado di percepire le caratteristiche dei corpi che ci circondano toccandoli, osservandoli, gustandoli ecc. In particolare, attraverso il tatto, avvertiamo la sensazione di caldo e di freddo e possiamo distinguere un corpo più caldo da uno meno caldo o un corpo più freddo da uno meno freddo. Camminando a piedi nudi sul pavimento, ad esempio, avvertiremo il freddo delle piastrelle, mentre al mare avvertiremo il caldo della sabbia. Ma che cosa sono questo caldo e questo freddo? O meglio, che cos è il calore? Per rispondere a questa domanda osserviamo alcuni fenomeni. Il calore del termosifone acceso fa girare una girandola compiendo quindi del lavoro. È ancora il calore del termosifone che fa scoppiare il palloncino compiendo quindi del lavoro. Il calore del fornello acceso solleva il coperchio e fa uscire l acqua compiendo ancora del lavoro. 34

8 Calore e temperatura 3 In fisica la capacità di compiere un lavoro, come vedrai meglio proseguendo il tuo studio, si chiama energia. È l energia muscolare quella che ti permette di sollevare un peso. È l energia idrica quella che fa girare le pale del mulino. È l energia elettrica quella che mette in moto il frullatore. Per quanto riguarda il calore, possiamo quindi dire che: Il calore è una particolare forma di energia, detta energia termica. Riscaldare una sostanza significa quindi fornirle una certa quantità di energia termica o calore che fa aumentare l agitazione termica delle sue molecole. Raffreddare una sostanza significa, al contrario, sottrarle una certa quantità di energia termica che fa diminuire l agitazione termica delle sue molecole. LIBRO DIGITALE schema animato In una sostanza che si raffredda diminuisce l energia termica delle sue molecole. aumenta la temperatura diminuisce la temperatura In una sostanza che si riscalda aumenta l energia termica delle sue molecole. 35 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

9 FISICA E CHIMICA Che cos è la temperatura? Secondo te, quando, abbracciando il tuo bel cucciolotto, dici che è caldo, stai valutando il suo calore, cioè il movimento più o meno veloce delle sue molecole? Molto probabilmente sai già che ciò che possiamo valutare toccando un oggetto è la sua temperatura, ovvero il livello termico (grado di caldo o di freddo) che ha o che acquista se viene riscaldato o raffreddato. La temperatura è il livello termico che un corpo ha o raggiunge fornendogli o sottraendogli calore. Calore e temperatura sono quindi due grandezze diverse. Proviamolo con un esperimento. Calore e temperatura sono due grandezze diverse Metti sul fornello due pentolini, con un litro di acqua in uno e mezzo litro nell altro. Accendi i fornelli con la stessa intensità di fiamma, in modo da fornire la stessa quantità di calore e dopo 3 minuti immergi un dito nei due pentolini. Che cosa noti? L acqua è ugualmente calda in entrambi o è più calda quella del secondo pentolino? È più calda quella del secondo pentolino; puoi dedurre che una stessa quantità di calore non ha prodotto la stessa temperatura. Prendi adesso i due pentolini, ponili sui due fornelli sempre accesi con la stessa intensità di fiamma e annota il tempo che impiega l acqua a raggiungere i 100 C. Che cosa osservi? L acqua impiega lo stesso tempo in entrambi o impiega più tempo nel primo? Impiega più tempo nel primo; puoi dedurre che per raggiungere una stessa temperatura (100 C) occorrono quantità diverse di calore. 36

10 Calore e temperatura 3 Per misurare la temperatura, come certamente sai, si usa il termometro, uno strumento basato sulla proprietà che hanno tutte le sostanze, tranne l acqua, come vedremo meglio più avanti, di aumentare di volume quando vengono riscaldate. Il termometro è costituito da un sottilissimo tubo di vetro, detto capillare, chiuso alle due estremità. L estremità inferiore, detta bulbo, è più larga e contiene una sostanza, generalmente mercurio o alcol. Il capillare è racchiuso in un tubo di vetro vuoto, cioè privo d aria, da cui fuoriesce solo il bulbo. tubo di vetro vuoto capillare Quando il bulbo viene a contatto con un corpo caldo, la sostanza in esso contenuta si riscalda, aumenta di volume e sale lungo il capillare. A fianco del capillare una scala graduata, detta scala termometrica, ci permette di leggere il valore della temperatura. scala termometrica bulbo contenente mercurio o alcol Importante per la misurazione della temperatura è la scala termometrica: nei nostri termometri tale scala è la scala centigrada o Celsius, dal nome del fisico svedese Anders Celsius che la ideò. Per costruire una qualsiasi scala termometrica bisogna scegliere due valori di riferimento; nella scala centigrada tali valori sono lo zero gradi centigradi (0 C), la temperatura alla quale il ghiaccio scioglie, e il cento gradi centigradi (100 C), la temperatura alla quale l acqua bolle. L intervallo 0 C 100 C viene diviso in 100 parti e ciascuna di esse rappresenta l unità di misura della temperatura nella scala centigrada, il grado centigrado o Celsius ( C). 37

11 Qualcosa di più Altre scale termometriche La scala Fahrenheit O ltre alla scala Celsius, esistono altre scale termometriche: la scala Réaumur, nata in Francia ma ormai in disuso, la scala Fahrenheit, ancora in uso nei Paesi anglosassoni, e la scala Kelvin, quella riconosciuta dal Sistema Internazionale (S.I.) e usata dai ricercatori in campo scientifico. Esaminiamo la Fahrenheit e la Kelvin. 32 F: fusione del ghiaccio Nella scala Fahrenheit, dal nome dello scienziato tedesco Gabriel Fahrenheit che la ideò, i valori di riferimento sono: il punto 32 F, la temperatura alla quale il ghiaccio fonde; il punto 212 F, la temperatura alla quale l acqua bolle. L intervallo = 180, suddiviso in 180 parti, ci dà l unità di misura della scala Fahrenheit, il grado Fahrenheit, F. 212 F: ebollizione dell acqua La scala Kelvin La scala Kelvin, dal nome del fisico inglese lord William Thomson Kelvin che la ideò, è detta scala assoluta delle temperature. In essa il valore di riferimento è lo zero assoluto, 273,15 C, la temperatura più bassa possibile (273 C sotto lo zero), sotto la quale non si può scendere. Il grado Kelvin (K) è equivalente al grado Celsius ed è l unità di misura della temperatura nel Sistema Internazionale (S.I.), quindi nella scala Kelvin il ghiaccio scioglie a +273,15 K e l acqua bolle a +373,15 K. Per passare dalla scala Fahrenheit o dalla scala Kelvin alla scala Celsius e viceversa valgono le seguenti formule: Quindi, ad esempio: 36 C = {[(36 C x 180) : 100] + 32} F = = {[6480 : 100] + 32} F = = {64,8 + 32} F = 96,8 F 36 C = (36 C + 273,15) K = 309,15 K F = [( C x 180) : 100] + 32 C = [( F 32) x 100] : 180 K = C + 273,15 C = K 273,15 38

12 Misuriamo il calore Calore e temperatura 3 Il calore che un corpo possiede si evidenzia quando, passando a un altro corpo, ne determina una variazione di temperatura. La sua unità di misura, la caloria, e il suo multiplo, la chilocaloria, vengono infatti definite indirettamente come il calore di scambio fra due sostanze o come il calore necessario per aumentare la temperatura. Esattamente: La caloria (cal) è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 C, esattamente da 14,5 C a 15,5 C, la temperatura di 1 g (1 cm 3 ) di acqua distillata. La chilocaloria (kcal) è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 C, esattamente da 14,5 C a 15,5 C, la temperatura di 1 kg (1 dm 3 ) di acqua distillata; 1 kcal = 1000 cal. La caloria e la chilocaloria, secondo l ultima disposizione internazionale nell ambito del Sistema Internazionale di Misura (S.I.), sono state sostituite con l unità di misura dell energia. 14,5 C 15,5 C L unità di misura del calore, in quanto forma di energia, è il joule (J), che equivale a 0,239 cal. 1 g d acqua 1 J = 0,239 cal 1 cal = 4,18 J 1 kcal = 4180 J 1 caloria SE HAI IMPARATO Completa le seguenti affermazioni. Il calore è una particolare L unità di misura del calore è la, che è la quantità detta La temperatura è L unità di misura della temperatura, nella scala Celsius, è il ed equivale alla, il cui simbolo è Nel Sistema Internazionale l unità di misura del calore è il, che equivale a parte dell intervallo. calorie. 39

13 FISICA E CHIMICA I cambiamenti di stato UNA SOSTANZA PER EFFETTO DEL CALORE PUÒ PASSARE Ogni sostanza in natura e in condizioni normali si presenta in uno dei tre stati di aggregazione che abbiamo esaminato. Per effetto del calore però, se cioè viene riscaldata o raffreddata, una sostanza può passare da uno stato all altro, può cioè subire un cambiamento di stato e passare, ad esempio, dallo stato liquido a quello aeriforme o da quello liquido a quello solido ecc. Complessivamente può succedere che: dallo stato solido a quello aeriforme e viceversa dallo stato liquido a quello aeriforme e viceversa dallo dallo stato liquido a a quello quello solido e e viceversa viceversa Avrai sicuramente notato che: l acqua messa nel freezer diventa ghiaccio; un cubetto di ghiaccio fuori dal freezer si scioglie e ridiventa acqua; l acqua della pentola posta su un fornello acceso lentamente sparisce trasformandosi in vapore acqueo; il vapore acqueo che incontra il coperchio della pentola si trasforma in goccioline d acqua; le palline di naftalina, quelle che la mamma mette nei cassetti contro le tarme, col tempo si rimpiccioliscono sempre più fino a scomparire trasformandosi in gas; il vapore acqueo presente nell aria in una fredda giornata d inverno diventa brina. Sono i sei cambiamenti di stato che possono verificarsi nella materia: il passaggio dallo stato liquido a quello solido il passaggio dallo stato solido a quello liquido il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido il passaggio dallo stato solido a quello aeriforme il passaggio dallo stato aeriforme a quello solido SOLIDIFICAZIONE FUSIONE VAPORIZZAZIONE CONDENSAZIONE SUBLIMAZIONE BRINAMENTO 40

14 Solidificazione e fusione Calore e temperatura 3 Versa dell acqua nella vaschetta del ghiaccio e mettila in freezer. Che cosa succede? E ancora, hai osservato che cosa accade in un piccolo laghetto in pieno inverno? Il progressivo raffreddamento annulla quasi completamente l agitazione termica delle molecole dell acqua e rende elevatissime le forze di coesione, permettendo all acqua di passare dallo stato liquido allo stato solido. Il passaggio dallo stato liquido allo stato solido si chiama solidificazione. Accendi una candela. Che cosa osservi? E ancora, che cosa accade al pezzetto di burro che la mamma ha messo in padella sul fuoco? Il progressivo riscaldamento fa aumentare l agitazione termica e indebolisce le forze di coesione delle molecole, permettendo al burro o alla cera di passare dallo stato solido allo stato liquido. Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido si chiama fusione. 41

15 FISICA E CHIMICA Vaporizzazione e condensazione I panni bagnati che la mamma ha steso al sole dopo un po sono asciutti. Dove è finita l acqua? E da dove proviene il vapore acqueo che in maniera tumultuosa esce dalla pentola che bolle? Il calore del sole causa un lento aumento dell agitazione termica delle molecole d acqua che si trovano in superficie e fa sì che esse si liberino nell aria sotto forma di vapore. Nell acqua che bolle il riscaldamento interessa in modo tumultuoso tutte le molecole che, spostandosi in superficie, si liberano sempre sotto forma di vapore nell aria. Nell uno e nell altro caso l acqua passa dallo stato liquido allo stato aeriforme. Il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme si chiama vaporizzazione. Quando essa avviene in modo lento si parla di evaporazione. Quando avviene in modo tumultuoso si parla di ebollizione. prima Più superficie, più evaporazione Prendi due bicchieri con base diversa, riempili di acqua fino a raggiungere lo stesso livello e ponili su un termosifone acceso per favorire l evaporazione. Che cosa osservi dopo un po? Dove è evaporata più acqua? Nel bicchiere a base più larga o in quello a base più stretta? dopo Ne è evaporata di più nel bicchiere a base più larga; puoi dedurre che l evaporazione avviene tanto più rapidamente quanto maggiore è la superficie di contatto acqua-aria. Ciò accade perché aumenta il numero di molecole che possono liberarsi in aria. 42

16 Calore e temperatura 3 Da dove provengono quelle goccioline d acqua nel coperchio di una pentola che bolle? Perché il vetro su cui hai soffiato si ricopre di goccioline d acqua appannandosi? Il contatto del vapore acqueo con una superficie più fredda rallenta l agitazione termica delle molecole e ne aumenta la forza di coesione. Ciò fa sì che queste molecole si riuniscano legandosi tra loro a formare le gocce d acqua, ovvero a passare dallo stato aeriforme allo stato liquido. Il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido si chiama condensazione. prima Più calore, più evaporazione Prendi due bicchieri uguali e versa in essi una stessa quantità di acqua. Poni un bicchiere sopra un termosifone ben caldo e l altro su un tavolo. LIBRO DIGITALE esperimento animato Che cosa osservi dopo un po? Dove è evaporata più acqua? Nel bicchiere posto sul termosifone o in quello sul tavolo? dopo È evaporata più acqua nel bicchiere posto sul termosifone; puoi dedurre che l evaporazione avviene tanto più rapidamente quanto maggiore è il calore che viene somministrato. 43

17 FISICA E CHIMICA Sublimazione e brinamento Le palline di naftalina messe in un cassetto diventano sempre più piccole fino a sparire. Che cosa succede? Lentamente la naftalina passa dallo stato solido direttamente allo stato aeriforme; l odore pungente che senti avvicinandoti ti prova che nell aria c è il vapore che si sprigiona. Il passaggio dallo stato solido direttamente allo stato aeriforme si chiama sublimazione. Come si è formata la brina che osservi in una fredda mattina d inverno sui petali di un fiore? È il vapore acqueo presente nell aria che, a causa del freddo della notte, si trasforma in brina passando dallo stato aeriforme direttamente allo stato solido. Il passaggio dallo stato aeriforme direttamente allo stato solido si chiama ancora sublimazione o brinamento. Complessivamente, per riscaldamento e raffreddamento, abbiamo: 44

18 Qualcosa di più Il calore latente LIBRO DIGITALE F ornendo o sottraendo calore a una sostanza, questa quindi cambia di stato. Ad esempio: l acqua contenuta in una pentola posta sul fuoco a 100 C bolle e, se continuiamo a fornire calore tenendola sul fuoco, tumultuosamente si trasforma in vapore; dei pezzetti di ghiaccio a 0 C iniziano a fondere e, continuando a fornire calore, si scioglieranno tutti trasformandosi in liquido. Ma da quando inizia a bollire e per tutto il tempo che noi continuiamo a fornire calore, la temperatura dell acqua che evapora si mantiene a 100 C o aumenta? E da quando inizia a fondere e per tutto il tempo che continuiamo a fornire calore, la temperatura del ghiaccio che fonde si mantiene a 0 C o aumenta? Una risposta affrettata ci porterebbe a dire che, in entrambi i casi, se continuiamo a fornire calore la temperatura aumenta. E invece... Osserva. schema animato 100 C 100 C 100 C L acqua inizia a bollire a 100 C e, anche se continuiamo a riscaldarla, finché l ultima goccia non sarà evaporata, la sua temperatura si manterrà fissa a 100 C. 0 C 0 C 0 C Il ghiaccio inizia a fondere a 0 C e, anche se continuiamo a riscaldarlo, finché l ultimo pezzettino non si sarà sciolto, la sua temperatura si manterrà fissa a 0 C. Il calore che abbiamo fornito per tutto il tempo di evaporazione dell acqua o di fusione del ghiaccio non fa aumentare la temperatura perché viene utilizzato per permettere il cambiamento di stato della sostanza. Questo calore viene detto calore latente, proprio perché non accompagnato da variazione di temperatura, ed è esattamente il calore necessario ad ogni sostanza per fare avvenire un suo cambiamento di stato. Si parla di: calore latente di fusione se serve al passaggio solido-liquido calore latente di vaporizzazione se serve al passaggio liquido-aeriforme calore latente di ebollizione se serve al passaggio liquido-aeriforme e così via. fusione vaporizzazione ebollizione 45

19 Notizie e curiosità LIBRO DIGITALE osservazione animata Vari tipi di termometro S pesso per valutare la temperatura di un corpo ci affidiamo ai nostri sensi; però la sensazione di caldo o di freddo a volte è falsata, come puoi provare tu stesso. Immergi una mano in una bacinella piena d acqua calda e l altra in una bacinella piena d acqua fredda; poi immergile nello stesso istante in una bacinella piena d acqua tiepida. Che sensazione hai? La mano che prima avevi immerso nella bacinella piena d acqua calda ti dà una sensazione di acqua fredda, quella che prima avevi immerso nella bacinella piena d acqua fredda ti dà una sensazione di acqua calda. Per misurare la temperatura che ha o che ha raggiunto un corpo è quindi indispensabile il termometro. Come sicuramente sai, esistono vari tipi di termometri. Perché? Una prima differenza è dovuta al liquido usato, che comunemente è il mercurio o l alcol. Il termometro a mercurio serve per misurare temperature che scendono di poco sotto lo zero, perché il mercurio solidifica a 38 C e bolle a 357 C. Il termometro ad alcol serve per misurare temperature molto basse perché l alcol solidifica a 100 C e bolle a 78 C. Entrambi però sono inutilizzabili per le altissime temperature. In questo caso si usano termometri con particolari liquidi ad alto punto di fusione o addirittura con solidi. Un altra differenza è nella forma. Il termometro che usiamo per misurare la temperatura delle nostre case o quello che si usa nei laboratori, ad esempio, è un termometro libero. In esso il mercurio può salire e scendere liberamente proprio per indicarci ogni variazione di temperatura _10 _20 capillare scala termometrica bulbo contenente mercurio o alcol 46

20 Calore e temperatura 3 Il termometro clinico, quello che serve per misurare la temperatura corporea, ovvero la febbre, è un termometro a massima. In esso il tubicino di vetro presenta una strozzatura e quando il mercurio sale nel capillare tale strozzatura ne impedisce la discesa; così il livello resta quello raggiunto alla massima temperatura. Per riutilizzarlo bisogna scuoterlo per far scendere il mercurio sotto la strozzatura. Termometro da laboratorio. Termometro clinico. Per misurare la temperatura corporea oggi il termometro più comunemente usato è il termometro digitale, un alternativa rapida e comoda rispetto al tradizionale termometro clinico. Termometro digitale. Termometro da casa. Per conoscere la temperatura massima e minima di un certo arco di tempo si utilizza un altro tipo di termometro, il termometro a massima e a minima. Tale termometro è formato da un capillare a U contenente nella parte inferiore una certa quantità di mercurio dove galleggiano due anelli, gli indici. Il ramo di sinistra termina in un bulbo pieno di alcol, quello di destra in un bulbo riempito solo parzialmente di alcol. Se la temperatura sale, il mercurio sale lungo il ramo destro, spingendo l indice in alto, che così segna la temperatura massima. Se la temperatura scende, il mercurio tende ad alzarsi lungo il ramo sinistro, spingendo così l altro indice e segnando la temperatura minima. Per procedere a una successiva misurazione gli indici vanno riportati a contatto col mercurio con una piccola calamita. 47 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano

21 Notizie e curiosità Dalla sabbia il vetro C ome è stato inventato il vetro? La leggenda racconta che è stato facendo un fuoco sulla spiaggia. Eh sì, il vetro è soprattutto sabbia fusa e poi raffreddata. Dopo aver acceso i fuochi sulla spiaggia, infatti, gli uomini avranno trovato delle vere e proprie pepite di vetro. Ed è ancora così che sostanzialmente viene fabbricato il vetro. L a vita del vetro incomincia proprio dentro un forno, dove la sabbia viene riscaldata fino a fondere e la temperatura necessaria è di oltre 1700 C. La sabbia fusa viene fatta raffreddare e diventa un materiale trasparente, ma attenzione, è un materiale che a contatto con l acqua si scioglie. Alla sabbia messa a riscaldare si aggiunge per questo motivo della calce che consolida questo materiale che diventa... la pasta di vetro, molle e malleabile. Non resta che darle una forma: il vetraio "raccoglie" il vetro in fusione con una canna cava e soffia al suo interno muovendola in modo da creare delle forme: un bicchiere, una bottiglia, una lampadina ecc. Oggi il soffio del vetraio è sostituito dalle macchine, che inviano l aria sotto pressione in uno stampo che contiene la pasta di vetro; questa si appiattisce e si spalma contro le pareti dello stampo ed ecco... una bottiglia. F ragile o infrangibile, è sempre vetro. Se ai due materiali base si aggiungono altre sostanze, il vetro acquista nuove caratteristiche: un po di piombo e il vetro diventa puro cristallo, un po di borax (una sostanza chimica) ed ecco il pirex resistente al fuoco, qualche foglio di plastica e si ottiene un vetro blindato resistente quanto l acciaio. 48

22 Salute e sicurezza I pericoli del caldo e del freddo P er poter funzionare bene, il nostro organismo deve mantenersi sempre a una temperatura quasi costante, indipendentemente dalle condizioni ambientali. Con un meccanismo detto di autoregolazione, il nostro corpo è infatti capace di mantenere la sua temperatura interna a circa 37,5 C e quella esterna, cioè la temperatura della pelle, a circa 37 C. Quando però la temperatura ambientale è molto fredda o quando ci si espone a fonti di calore molto intenso e prolungato, questo perfetto meccanismo di autoregolazione può subire pericolose alterazioni e non essere in grado di mantenere la temperatura al suo livello ottimale. Fra i tanti pericoli che l organismo può correre in questi casi ricordiamo l ipotermia e l insolazione. S L ipotermia i parla di ipotermia quando la temperatura del corpo scende sotto il livello normale perché esposto a temperature abbastanza rigide come, ad esempio, d inverno in montagna, se non siamo adeguatamente coperti. Il nostro organismo, in situazioni simili, può perdere calore in modo pericoloso. I sintomi di una moderata ipotermia sono brividi, torpore e impaccio nei movimenti; già in queste condizioni occorre ripararsi subito in un ambiente più caldo, cambiare eventuali indumenti bagnati e bere liquidi caldi. Il freddo intenso può causare infatti il congelamento delle parti più esposte quali mani, piedi, naso, che si intorpidiscono e si gonfiano fino a fare male. In caso di congelamento, oltre a trovare un riparo, bisogna massaggiare le parti colpite per far riprendere la circolazione del sangue; in caso contrario può sopraggiungere l assideramento, che porta alla perdita dei sensi e, a volte, alla morte. Per soccorrere una persona assiderata bisogna portarla subito in un ambiente caldo e darle bevande zuccherate calde. Se però subentra una perdita di coscienza, è necessario il trasporto immediato in ospedale per le opportune e tempestive cure mediche. S L insolazione i parla di insolazione, o di colpo di calore, quando la temperatura del corpo sale sopra il livello normale perché esposto a fonti di calore intenso come, ad esempio, d estate se stiamo a lungo sotto il sole cocente. I sintomi di un insolazione sono nausea, mal di testa, comparsa di vesciche sulla pelle, aumento dei battiti cardiaci. Per non correre ulteriori rischi, in caso di insolazione, bisogna ripararsi subito in luoghi freschi, stare distesi con la testa sollevata, fare impacchi umidi sulle eventuali scottature e bere bevande fresche ma non ghiacciate. 49

23 FISICA E CHIMICA Il calore è una particolare forma di energia detta energia termica. La caloria (cal) è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 C, esattamente da 14,5 C a 15,5 C, la temperatura di 1 g (1 cm 3 ) di acqua distillata. La chilocaloria (kcal) è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 C, esattamente da 14,5 C a 15,5 C, la temperatura di 1 kg (1 dm 3 ) di acqua distillata; 1 kcal = 1000 cal. L unità di misura del calore, in quanto forma di energia, è il joule (J), che equivale a 0,239 cal. La temperatura è il livello termico che un corpo ha o raggiunge quando gli viene fornito o sottratto calore. Per misurare la temperatura si usa il termometro, uno strumento basato sulla proprietà che hanno tutte le sostanze di aumentare di volume quando vengono riscaldate. Nei nostri termometri la scala termometrica è la scala centigrada o Celsius, nella quale i due valori di riferimento sono lo zero gradi centigradi (0 C), la temperatura alla quale il ghiaccio scioglie e il cento gradi centigradi (100 C), la temperatura alla quale l acqua bolle. L intervallo 0 C 100 C viene diviso in 100 parti e ciascuna di esse rappresenta l unità di misura della temperatura nella scala centigrada, il grado centigrado o Celsius ( C). Per effetto del calore, se cioè viene riscaldata o raffreddata, una sostanza può passare da uno stato all altro, può cioè subire un cambiamento di stato. I cambiamenti di stato che possono verificarsi nella materia sono: il passaggio dallo stato liquido a quello solido SOLIDIFICAZIONE il passaggio dallo stato solido a quello liquido FUSIONE il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme VAPORIZZAZIONE il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido CONDENSAZIONE il passaggio dallo stato solido a quello aeriforme SUBLIMAZIONE il passaggio dallo stato aeriforme a quello solido BRINAMENTO prima dopo 50

24 Calore e temperatura 3 Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Calore Temperatura Scala termometrica Scala centigrada Grado centigrado Caloria Joule Solidificazione Fusione Vaporizzazione Condensazione Sublimazione Brinamento Cio Ciò che sai 1. Rispondi. a) Che cos è il calore? 3. Definisci. a) La caloria è: b) Che cos è la temperatura? b) La chilocaloria è: c) Che cosa significa riscaldare? c) Il joule è: d) Che cosa significa raffreddare? 4. Che cosa si intende con l espressione cambiamenti di stato? 2. Completa. a) Lo strumento per misurare la temperatura è b) Nella scala centigrada l unità di misura della temperatura è che è definito come la parte dell intervallo che sono rispettivamente e. 5. Definisci e fai un esempio dei seguenti cambiamenti di stato: a) Solido liquido b) Solido aeriforme c) Liquido solido d) Liquido aeriforme e) Aeriforme liquido f) Aeriforme solido 51

25 FISICA E CHIMICA 6. Che cosa indicano i seguenti termini? a) Evaporazione: b) Ebollizione: 7. Completa le seguenti affermazioni scrivendo accanto a ciascuna di esse riscaldandola o raffreddandola. a) Una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido b) Una sostanza passa dallo stato liquido allo stato aeriforme c) Una sostanza passa dallo stato liquido allo stato solido d) Una sostanza passa dallo stato aeriforme allo stato liquido Cio Ciò che sai fare 8. Se la temperatura aumenta di 10 C, quale livello raggiungerà la colonnina di mercurio nei seguenti termometri? Segnala nei due casi proposti. 9. Osserva le figure. Nella figura a) l acqua ha raggiunto la temperatura di 30 C in 4 secondi. Supponendo che i fornelli forniscano la stessa quantità di calore, dopo quanti secondi la temperatura dell acqua delle figure b) e c) sarà anch essa di 30 C? a) b) c) 52

26 Calore e temperatura Osserva la figura e rispondi alle domande. 14. Individua e scrivi i cambiamenti di stato rappresentati nelle seguenti figure. a) In quale dei due recipienti dopo 5 minuti l acqua raggiunge la temperatura più alta? b) Per portare l acqua dei due recipienti a una stessa temperatura, ci vorrà lo stesso tempo per entrambi? c) Per far raggiungere all acqua la stessa temperatura, i due recipienti assorbono la stessa quantità di calore? 11. Quante calorie sono necessarie per portare un litro d acqua da 10 C a 20 C di temperatura? 12. Quante chilocalorie sono necessarie per portare 2,5 litri d acqua da 12,5 C a 17 C di temperatura? 13. Completa lo schema dei cambiamenti di stato inserendo al posto dei puntini gli opportuni termini. a) b) c) d) e) 53

27 FISICA E CHIMICA 15. La configurazione delle molecole di un corpo è passata dalla situazione a) alla situazione b). Perché? a) b) Quale cambiamento di stato è avvenuto? Il corpo è stato sottoposto a riscaldamento o a raffreddamento? Perché? 17. Osserva le figure. Quale fenomeno rappresentano? Che cosa si vuole provare? a) b) 16. La configurazione delle molecole di un corpo è passata dalla situazione a) alla situazione b). a) b) Quale cambiamento di stato è avvenuto? Il corpo è stato sottoposto a riscaldamento o a raffreddamento? 54