Attività A: masse d acqua uguali

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Bernardo Sole
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1 Interazioni termiche tra masse d'acqua e temperatura di equilibrio Negli esperimenti proposti in questa scheda un recipiente contenente acqua a temperatura maggiore viene posto in acqua a temperatura minore. Le due masse d'acqua interagiscono termicamente. Assetto. Fare l assetto del sistema in modo da avere disponibili 3 sensori che effettuano una misura ogni 2 s, per un totale di 10 minuti, nell intervallo di temperatura 0 C, 100 C. Attività A: masse d acqua uguali A. Descrizione dell attività. Quattro sensori si trovano all'equilibrio termico con l'ambiente: due sensori vengono posti in due recipienti contenenti masse uguali (100 g) di acqua a temperature diverse. Il recipiente contenente acqua a temperatura maggiore viene immerso in quello contenente acqua a temperatura inferiore. Osserva l'evoluzione temporale della temperatura. a) Acqua fredda b) Acqua calda al PC al PC B. Previsioni. B1_Illustra a parole quello che ti aspetti di osservare sul monitor, eseguendo l'esperimento descritto. Figura 1 Supponendo di avere 100 g di acqua a T C =60 C e 100g di acqua a T F =20 C, alla fine del processo ti aspetti che le due masse d'acqua abbiano: temperature diverse la stessa temperatura, uguale a: Spiega la risposta precedente.

2 B2_Disegna nel diagramma sottostante il grafico della temperatura dei sensori nel tempo, che ti aspetti di vedere sul monitor quando verrà effettuata la misura. T( ) t ( ) C. Esecuzione C1_Scalda dell acqua, ad esempio ponendola in un pentolino su un fornello elettrico. Versa 100 g di acqua di rubinetto (o meglio raffreddata con del ghiaccio) in un beker di vetro la cui capacità è circa di mezzo litro (400 cm 3 se possibile), posto in un termos. Versa 100 g di acqua a temperatura maggiore in un recipiente che possa essere contenuto nel precedente a pareti sottili (un beker da 150 ml o meglio un contenitore di alluminio). Misura la temperatura del tavolo e delle due masse d'acqua, utilizzando i sensori. Immergi il recipiente con l'acqua calda nell'acqua fredda e ricopri parzialmente il termos. Muovi i sensori posti nelle due masse d'acqua per mescolare le due masse d'acqua. Cerca di fare in modo che per l'intera misura i sensori non tocchino le pareti dei contenitori, ma restino a contatto solo con l'acqua. C2_Terminata la misura, disegna nel diagramma sottostante il grafico osservato sul monitor. T( ) t ( ) D. Descrizione e interpretazione del grafico. D1_Descrivi il grafico osservato:

3 D2_Per quanti secondi le due masse d'acqua restano a contato (in interazione termica)? t = Qual è la temperatura finale delle due masse d acqua? Che cosa puoi dire su quello che hai osservato? D3_Fai una stampa del grafico osservato sul video e allegala alla presente scheda. D5_Le previsioni fatte in precedenza (B_Previsioni) sono state confermate? Sì No Quali sono state confermate? Quali non sono state confermate? Discuti i risultati ottenuti D4_Riporta i seguenti dati della misura effettuata (puoi limitarti alle unità) Temperatura del tavolo: T = Temperatura iniziale dell acqua a temperatura maggiore: T C = Temperatura iniziale dell acqua a temperatura minore: T F = Temperatura finale: T eq

4 E_Analisi dei dati. E1_Determina la variazione di temperatura delle due masse d acqua a seguito della loro interazione termica: DT C = T C -T eq = (DT F ) = T eq -T F = Che cosa si può dire dei due valori ottenuti? E2_Analizza ora la parte finale del grafico delle temperature al variare del tempo. In quale istante i due sensori hanno segnalato il raggiungimento dell equilibrio termico? t = Da questo istante in poi e sino al termine della misura, è variata la temperatura segnalata dai due sensori? Sì No Spiega ciò che hai osservato dopo il raggiungimento dell'equilibrio termico A che cosa è dovuto ciò che si osserva? F. Conclusioni Quali conclusioni si possono trarre da questo esperimento? G.Mettiti alla prova G1_Se le temperature iniziali delle due masse d'acqua fossero state T C = 65 C e T F = 5 C, quale sarebbe stata la temperatura finale T eq? T eq =

5 Attività B: masse d acqua diverse. A. Esperimento Le attrezzature necessarie sono le stesse dell'esperimento A. Tre sensori si trovano all'equilibrio termico con l'ambiente: due di essi vengono posti in due recipienti contenenti rispettivamente 200 g di acqua a temperatura ambiente e 100 g di acqua a temperatura maggiore. Il recipiente contenente l'acqua più calda viene messo dentro quello contenente l'acqua più fredda. B. Previsioni. B1_Descrivi quello che ti aspetti di osservare sul monitor, eseguendo l'esperimento descritto: Supponendo di avere 200 g di acqua a T F =20 C e 100 g di acqua a T C = 70 C, alla fine del processo ti aspetti che le masse d'acqua abbiano: temperature diverse La stessa temperatura, uguale a: Spiega la risposta precedente. B2_Disegna nel diagramma sottostante il grafico della temperatura dei sensori nel tempo, che ti aspetti di vedere sul monitor quando verrà effettuata la misura. T( ) t ( )

6 C. Esecuzione C1_Scalda dell acqua, utilizzando eventualmente il fornello elettrico e un pentolino. Versa 200 g di acqua a temperatura di rubinetto (o meglio raffreddata con un po' di ghiaccio) in un beker di vetro abbastanza capiente, da 400 cm 3 se possibile, posto in un termos. Versa 100 g dell'acqua riscaldata sul fornello in un recipiente più piccolo (un beker da 150 cm 3 o meglio un recipiente metallico a pareti sottili). Misura la temperatura del tavolo e delle due masse d'acqua, utilizzando i sensori. Immergi il recipiente con l'acqua calda nell'acqua fredda e ricopri parzialmente il termos. Muovi i sensori posti nelle due masse d'acqua per mescolare le due masse d'acqua. Cerca di fare in modo che per l'intera misura i sensori non tocchino le pareti dei contenitori, ma restino a contatto solo con l'acqua. C3_Terminata la misura disegna nel diagramma sottostante il grafico osservato sul monitor T( ) t ( ) D. Descrizione, interpretazione, lettura del grafico D1_Descrivere il grafico osservato: D2_Spiega il grafico osservato:

7 Quanti secondi dura la fase di interazione termica delle due masse d acqua? Qual è la temperatura finale delle due masse d acqua? Che cosa puoi dire ancora su quello che hai osservato? D3_Fai una stampa del grafico osservato sul monitor e allegala alla presente scheda. D4_Hai ritrovato quello che ti aspettavi? Sì No Spiega D5_Riporta i seguenti dati della misura effettuata (puoi limitarti alle unità) Temperatura iniziale dei 100 g di acqua calda: T C = Temperatura iniziale dei 200 g di acqua fredda: T F = Temperatura finale: T eq = E. Analisi dei dati E1_Determina queste variazioni di temperatura: DT DT C DT F = T C - T F = =T C - T eq = = T eq - T F = E2_In quale rapporto stanno queste variazioni di temperatura tra loro? DT C = DT DT F DT = DT F = DTC E3_In quale rapporto stanno fra loro le masse d'acqua in gioco? ( M C : massa d'acqua calda; M F : massa d'acqua fredda) MC M = = ; F = = MC + M F M C + M F M ; C = = M F

8 E4_Dal confrontando dei valori ottenuti per i rapporti delle differenze di temperatura e quelli per le masse d'acqua, che cosa si può dire? E' possibile stabilire delle uguaglianze tra i rapporti delle differenze di temperatura e quelli delle masse? Sì No Spiega la risposta precedente F.Mettiti alla prova. F1_Se le masse d'acqua coinvolte fossero 300 g d'acqua fredda a T= 10 C e 100g di acqua calda a T=70 C, quale sarebbe stata la temperatura di equilibrio? G. Conclusioni Quali conclusioni si possono trarre da questo esperimento?

9 Riepilogo e conclusioni sulle attività condotte Gli esperimenti di questa scheda (attività A e B) consistono nell'interazione termica di sistemi omogenei a temperatura diversa che evolvono verso una nuova situazione di equilibrio termico, caratterizzata da una temperatura che dipende dalla massa dei corpi oltre che dalle loro temperature iniziali. Quali conclusioni si possono trarre da questi esperimenti? Spiega come si può prevedere il valore della temperatura finale di due masse d'acqua diverse inizialmente a temperature diverse:

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