Titolo: Acqua in una brocca d'argilla, trasferimento di calore

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1 Plan Titolo: Acqua in una brocca d'argilla, trasferimento di calore Argomenti: ACQUA IN UNA BROCCA D'ARGILLA, TRASFERIMENTO DI CALORE Tempo: 90 minuti (2 lezioni) Età: anni Differenziazione: Linee guida, supporti ICT, etc.: Agli studenti più capaci viene domandato di rappresentare con un grafico la variazione di temperatura ed umidità in funzione del tempo della prima e della seconda brocca, spiegando le variazioni di questi parametri. Con gli studenti più capaci e talentuosi si discute sull'importanza delle temperatura e dell'umidità dell'acqua per l'uomo e il suo ambiente. Gli studenti che completano il lavoro velocemente lavorano agli obiettivi aggiuntivi. Agli studenti viene presentato un piano di lavoro e una lista dei materiali necessari per l'attività. Siccome i risultati di questo lavoro tra gli studenti non sono noti in anticipo, nasce la possibilità di discussione tra gruppi. L'analisi dei risultati e la discussione hanno luogo dopo che si è concluso il lavoro in gruppi di 3-5 studenti. Materiale richiesto per l'attività: 2 brocche d'argilla; 2 coperchi per chiudere le brocche. I coperchi hanno dei buchi per inserire i sensori; Acqua calda (circa 70 o C); 2 sensori di temperatura (da -25 o C a 110 o C) o termometri; 2 sensori di umidità; Busta di plastica; Un laccetto per legare il sacchetto di plastica; Un sistema di insegnamento computerizzato (Nova5000, Xplorer GLX o altri); Libri di testo; Schede dell'attività. Conoscenze richieste: Concetti di temperatura, energia, umidità dell'aria; Grafico y = f (x) e della relativa derivata. Salute e sicurezza: Obiettivi di apprendimento dell'attività Tutti: Saranno capaci di caratterizzare la temperatura. Saranno capaci di descrivere il processo di evaporazione. Seguendo le istruzioni, saranno capaci di organizzare gli apparecchi per l'attività La maggior parte: Saranno capaci di determinare la temperatura come misura dell'energia interna di un corpo. Saranno capaci di descrivere i parametri, determinando i cambi di fase. Saranno capaci di tracciare i grafici dei cambiamenti di umidità e temperatura. Dai grafici, saranno capaci di spiegare i processi di trasferimento di calore. Alcuni: Saranno capaci di trovare la connessione tra lo scambio di calore che si verifica in una brocca d'argilla e quello del corpo umano quando si suda. Saranno capaci di definire l'importanza dell'umidità dell'aria per l'uomo e per il suo ambiente. 1

2 Plan Utilizzo sicuro dell'attrezzatura sperimentale e di acqua calda. Descrizione della lezione Attività iniziale Gli alunni entrano in classe e mettono via cappotti e zaini. Agli alunni viene richiesto di ripassare matematica: analizzare relazioni tra due variabili espresse da grafici, valutare il rapporto incrementale del processo. L'acqua calda è versata in due contenitori - uno di metallo e uno di argilla- chiusi completamente. Dopo un pò si misura la temperatura in entrambi i contenitori. Agli alunni viene richiesto in quale recipiente è rimasta più alta la temperatura e perché. Agli alunni viene domandato di spiegare la legge di conservazione dell'energia nel caso di vari cambi di energia fisica. Attività principale Gli alunni iniziano a lavorare sulla scheda Acqua in una brocca d'argilla, trasferimento di calore. Viene fornita una spiegazione dell'esercizio. Organizza i dispositivi come mostrato in figura: Versa la stessa quantità di acqua e alla stessa temperatura nelle brocce (almento 2/3 della loro capacità). Metti 1 brocca d'argilla in una busta di plastica. Metti i sensori di temperatura nei buchi dei coperchi. Metti un sensore d'umidità nella busta di plastica, l'altro sensore lascialo vicino la seconda brocca. 2

3 Plan Lega il sacchetto di plastica nel quale c'è la brocca. Segna i cambi di temperatura di entrambe le brocche. Segna i cambi di umidità nell'ambiente e nella busta di plastica per 10 minuti. Dopo 10 minuti esci la brocca dalla busta. Osserva i cambi di umidità e temperatura per minuti o più. Le modifiche possono essere osservate meglio lasciando Nova5000 in uso per parecchie altre ore. Traccia il grafico della temperatura t = f (τ). Traccia il grafico dell'umidità ρ = f(τ). Estensione Agli alunni più capaci a questo punto può essere domandato di considerare eventuali problemi con la progettazione dell'esperimento o gli si può domandare di suggerire miglioramenti. Attività con le schede Agli studenti viene chiesto di completare individualmente le schede dell'attività. Agli studenti si domanda di segnare i risultati, mettere i dati nelle tabelle temperatura (t) e umidità (ρ), tracciare i grafici t = f (τ) e ρ = f(τ) e da questi grafici di definire e scrivere i valori iniziali e finali di temperatura e umidità e le variazioni di questi valori nella prima e nella seconda brocca. Agli studenti più capaci si può richiedere di rappresentare in un grafico la dipendenza della variazione di temperatura ed umidità rispetto al tempo della prima brocca; in un altro grafico si rappresenta lo stesso relativamente alla seconda brocca. Spiegare le variazioni di questi parametri. Attività di estensione Agli studenti che completano velocemente il lavoro viene domandato di lavorare agli obiettivi aggiuntivi. Attività conclusiva Agli alunni viene chiesto della procedura utilizzata; gli viene domandato di considerare la ragione dei risultati strani. Agli alunni viene chiesto di esporre una conclusione sui cambiamenti di temperatura e di umidità in entrambe le brocche, di spiegare le differenze. Con gli alunni più dotati, si può discutere la connessione tra lo scambio di calore che si verifica in una brocca d'argilla e quello del corpo umano quando si suda. 3

4 Worksheet ACQUA IN UNA BROCCA D'ARGILLA, TRASFERIMENTO DI CALORE Il trasferimento di calore attraverso la conduttività si ha quando il calore si spande da un corpo ad un altro ad esso attaccato o dentro il corpo stesso. Le sostanze che conducono molto bene il calore sono detti conduttori (come argento, rame, oro e altri metalli). I materiali dentro cui il calore si disperde poco, sono detti isolanti termici (come plastica, legno, vetro, aria e altri). In antichità le tribù nomadi, vivendo in posto caldi e asciutti, usavano tenere l'acqua nelle brocche d'argilla. Nonostante il calore ambientale, l'acqua continuava a rimanere fresca. L'argilla è un materiale poroso, pertanto l'acqua può permeare attraverso ed evaporare. La temperatura dei corpi si misura con vari tipi di termometri. Il metodo per misurare è molto semplice: il termometro per un certo intervallo rimane a contatto col corpo, in modo che la temperatura del corpo e quella del termometro diventino uguali, cioè fino a quando si stabilizza ad un equilibro termico. Quindi le letture del termometro non cambiano. Quando si riscalda il corpo, tra il termometro e il corpo si ha un'altra forma di bilancio di calore, e il termometro mostra un'altra temperatura. Pertanto, la temperatura descrive una condizione di bilancio di calore tra corpi. Parlando di condizioni di calore, unendo gas di temperature diverse, l'energia cinetica media del movimento disordinato e irregolare delle molecole si stabilizza alla temperatura comune. Si ritiene che la temperatura sia la misura dell'energia cinetica media dei movimenti disordinati delle particelle. La velocità di una molecola di liquido alla stessa temperatura varia. Le molecole con velocità maggiore superano l'attrazione delle altre molecole, e volano via dal liquidi, si dice che il liquido evapora. Avendo perso le molecole con capacità cinetica maggiore, il liquido soggetto ad evaporazione si raffredda. Volate via dal liquido, le molecole si muovono disordinatamente nei pressi della superficie del liquido. Alcune di esse tornano al liquido, il vapore si condensa. In un contenitore chiuso le condizioni possono formare tante molecole di liquido evaporano, tante molecole di vapore nello stesso tempo tornano nel liquido. Questo vapore, che p in equilibrio dinamico col liquido, è detto vapore saturo. La Terra, a quanto ne sappiamo, è l'unico pianeta su cui c'è un'abbondante superficie d'acqua. Nell'atmosfera c'è vapore acqueo, che influenza i processi in atto sulla superficie della Terra. La quantità di vapor acqueo nell'atmosfera è detta umidità dell'aria, che cambia costantemente. L'umidità è importante per la vegetazione e per gli animali. La salute umana dipende dall'umidità dell'aria. L'umidità dell'aria ha effetti su edifici ed opere d'arte. E' importante mantenere un'opportuna umidità nei locali dove si vive, specialmente per proteggere frutta, verdura e prodotti alimentari. Per il benessere, il livello di umidità relativa necessaria è tra il 40% e il 60%. D'inverno gli ambienti riscaldati hanno un'umidità che non raggiunge il 20%. Le membrane mucose di naso, gola e polmoni diventano molto velocemente secche. D'inverno pertanto i locali debbono essere umidificati. L'alta temperatura ambiente può aumentare la temperatura del corpo umano. Sebbene la pelle sente i cambi della temperatura esterna, in ogni caso il centro di controllo della temperatura, posizionalo nel cervello, è sensibile solo ai cambiamenti di temperatura del sangue. Quando la temperatura corporea è maggiore del normale, il centro di controllo invia dei segnali, che provocano la vasodilatazione cutanea, fanno giungere più sangue nei capillari della pelle, e quindi la pelle diventa rossa. Inoltre vengono attivate le ghiandole del sudore, che aumentano la quantità di sudore prodotto. Il sudore, fuoriuscito dalla superficie della pelle, è soggetto al processo di evaporazione. Il vapore diminuisce la quantità di calore sulla superficie della pelle, in quanto l'acqua che diventa vapore usa il calore per rompere i legami ad idrogeno. La superficie della pelle si raffredda, raffreddando così il sangue in circolazione. Se la temperatura ambiente diminuisce, il centro di controllo attiva il meccanismo di risparmio di calore. Quindi, i capillari sulla superficie della pelle si restringono, e si dilatano i vasi sanguigni più in profondità. In questo modo, si conserva la temperatura corporea normale. 4

5 Worksheet Domande Risposte 1. Cosa descrive la temperatura? 2. Cos'è la temperatura? 3. Cos'è l'umidità dell'aria? 4. Date le equazioni: y = 3x; y = 4x. Traccia il grafico y = f (x) e confronta il loro rapporto incrementale. 5

6 Answer sheet ACQUA IN UNA BROCCA D'ARGILLA, TRASFERIMENTO DI CALORE Foglie delle risposte Inserisci i dati nella tabella Trasferimento di temperatura ed umidità Tempo dell'esperimento τ (min) Temperatura 1 a brocca t ( 0 C) Temperatura 2 a brocca t ( 0 C) Umidità vicino alla 1 a brocca ρ (%) Estraendo la 1a brocca dalla busta di plastica Umidità vicino alla 2 a brocca ρ (%) Tempo dell'esperimento τ (min) 1 Temperatura 1 a brocca t ( 0 C) Temperatura 2 a brocca t ( 0 C) Umidità vicino alla 1 a brocca ρ (%) Umidità vicino alla 2 a brocca ρ (%) Dai dati della tabella, traccia i grafici del trasferimento della temperatura nella prima e nella seconda brocca t = f (τ): 6

7 Answer sheet Dai grafici, definisci la temperatura iniziale e i valori finali e i cambiamenti di questi valori: 1 a brocca nella busta di plastica: t 1= t 2= Δt = t 3= t 4= Δt = 1 a brocca fuori dalla busta di plastica: 2 a brocca nella stanza (nei primi due minuti): t 1= t 2= Δt = 2 a brocca nella stanza (negli ultimi due minuti): t 3= t 4= Δt = Dai dati nella tabella, traccia i grafici del trasferimento di umidità nei pressi della prima e della seconda brocca. ρ = f (τ): 7

8 Answer sheet Dai grafici, definisci i valori iniziali e finali dell'umidità e le variazioni di questi valori, quando il sensore di umidità è: 1 st jug in the plastic bag: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = ρ 3 = ρ 4 = Δρ = 1 a brocca fuori dalla busta di plastica: vicino alla 2 a brocca nella stanza: ρ 1 = ρ 2 = Δρ = Rispondi alle domandi e spiega il perché: Confronta i cambiamenti di temperatura: 1 a brocca nella busta di plastica e 1 st brocca tirata fuori dalla busta di plastica 8

9 Answer sheet... 2 a brocca nella stanza nei primi e negli ultimi 2 minuti... Confronta i cambi di temperatura tra le brocche: Sono le stesse?... Spiega le differenze.... Conclusione: Scrivi le conclusioni sull'influenza della busta di plastica su: Umidità dentro la busta Cambiamento della temperatura dell'acqua nella brocca Scrivi le conclusioni sul trasferimento di calore nelle brocche:... 9

10 Extension Velocità di raffreddamento dell'acqua Il termometro è posto in una scodella con acqua calda, e si misura la temperatura dell'acqua ogni 2 minuti. I dati dell'esperimento sono dati dalla seguente tabella. Tempo, min Temperatura, ºC Traccia il grafico della temperatura di raffreddamento dell'acqua in funzione del tempo. Calcola la velocità di raffreddamento dell'acqua: 0 4 min. Velocità di raffreddamento = 4 8 min. Velocità di raffreddamento = 8 12 min. Velocità di raffreddamento = min. Velocità di raffreddamento = min. Velocità di raffreddamento = min. Velocità di raffreddamento = min. Velocità di raffreddamento = min. Velocità di raffreddamento = Quand'è che l'acqua si raffredda più velocemente e perché? 10