Titolo: Fisica in cucina

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1 Titolo: Fisica in cucina Argomenti: Misure di temperatura, efficienza Tempo: 90 Minuti Età: Differenziazione: Linee guida, supporti ICT, etc.: Se possibile, usare una termocamera - le immagini e i dati possono essere mostrati su un PC o con un proiettore. Materiale richiesto per l'attività: Fornello a induzione, fornello elettrico, bollitore elettrico, acqua, olio, pentole, pirofila, attrezzatura protettiva, cronometro, termometro, termocamera Obiettivi di apprendimento dell'attività Tutti Gli studenti possono spiegare le classi energetiche Gli studenti calcolano le percentuali La maggior parte Conoscenze richieste: Fisica temperatura, energia unità, Matematica - espressioni Salute e sicurezza: Lavorare con oggetti caldi e fornelli Gli studenti possono risolvere molti dei problemi proposto. Gli studenti effettuano gli obiettivi di laboratorio Alcuni Gli alunni confrontano l'efficacia di diverse fonti di riscaldamento, disegnano grafici e istogrammi. 1

2 Descrizione della lezione Motivazione Attrezzatura delle famiglie del 21 secolo. Cosa sarebbe la nostra cucina senza elettricità? Attività principale Gli studenti lavorano con le classi energetiche; cercano su internet il prezzo dell'energia. Gli studenti effettuano il lavoro in laboratorio. Attività conclusiva Gli studenti discutono l'efficacia del riscaldamento dei liquidi con i vari tipi di fornello, studiano il graduale riscaldamento dei liquidi usando una termocamera. Motivazione 2

3 1. Confronta la cucina della figura 1 con quella della figura 2! 2. Fai una lista degli elettrodomestici che hai in cucina. Determina di quali di essi sai la classe energetica. Obiettivo 1: Cosa dicono i dettagli della classe energetica del frigorifero? L'apparecchio è classificato dall'indice di efficienza energetica. Caratterizza il consumo di energia per litro dell'applicazione in confronto con la potenza utile. Il consumo si considera in condizioni d'utilizzo ideali - temperatura ambiente di 20 C e riempimento del frigo al 70% dello spazio utilizzabile. Attualmente si realizzano solo frigoriferi di classe A o superiore. La classe di efficienza energetica di a) Frigorifero con congelatore b) Frigorifero Confronta le due etichette! 3

4 Impara di più sulle classi energetiche a Fisica e consumo di energia Per trovare la qualità (efficienza) delle macchine dovrebbe determinare la loro efficacia. Far funzionare una macchina richiede un maggiore alimentazione elettrica di quanto richiesto dalla sua prestazione in quanto deve superare l'effetto delle forze resistive. L'efficienza del dispositivo è determinato dal rapporto della potenza fornita (consumo) e la prestazione ottenuta. 4

5 L'efficienza è sempre minore di uno, ed è data in percentuale. Esempio 1: Per scaldare 2 litri d'acqua da 10 C a 100 C abbiamo bisogno di un'energia di J. Quanto tempo ci vuole per far bollire l'acqua in un bollitore che consuma 2000 Watt e ha l'efficienza dell'85%? Scrivi: Pp = 2000 W W = J = 0,85 =? s t1 = 10 o C t2 = 100 o C Efficienza = potenza utile in uscita/potenza totale in entrata Uscita P = W W...lavoro (J),...tempo(s) W P W P p Pp ingresso (W), efficienza , = 353 s = 5,9 min (L'informazione sulla temperatura dell'acqua nell'esempio è ridondante.) 5

6 Lavoro in laboratorio Attrezzatura necessaria per questa attività: Fornello a induzione, fornello elettrico, bollitore elettrico, acqua, olio, pentole, pirofila, attrezzatura protettiva, cronometro, termometro, termocamera Obiettivi: 1. Confronta l'efficienza del riscaldare una certa quantità di acqua con diversi tipi di fornelli. 2. Calcolate il costo dell'energia richiesta per il riscaldamento in CZK (corone ceche) e Euro. Avanzamento del lavoro: Obiettivo 1 Confronta l'efficienza del riscaldare una certa quantità di acqua con diversi tipi di fornelli. La quantità di acqua da riscaldare è di 0,5 litri = 500 ml a) Gradualmente riscalda 500 ml d'acqua su un fornello a gas in una pentola ordinaria con un coperchio e poi nella stessa pentola senza coperchio. b) Riscalda nella stessa pentola 500 ml di acqua sul fornello elettrico - con e senza coperchio. c) Confronta il tempo di ebollizione con o senza il coperchio sullo stesso tipo di fonte di calore. d) Calcola l'energia consumata in ogni caso. e) Calcola il risparmio di energia in percentuale quando si usa il coperchio. f) Calcola il costo dell'energia necessaria in CZK (corone ceche) e in Euro. Dati che devi inserire nella tua scheda: Massa dell'acqua - m (kg) Temperatura iniziale dell'acqua - t0 ( o C) Temperatura finale dell'acqua - t ( o C) Capacità termica specifica dell'acqua - c = 4180 J kg K -1 Calcolo del calore necessario a scaldare l'acqua - Q (J) Q = mc (t - t0) (formula, risultato) Potenza dei fornelli - P0 (valore nominale indicato sull'apparecchio) (W) Tempo di riscaldamento - (s) 6

7 Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento - W = P0 (J) (formula, risultato) Calcolo dell'efficienza del fornello - (%) = (Q / W) 100% Obiettivo aggiuntivo: Misura l'aumento di temperatura in intervalli di tempo fissi (ad es. ogni 30 secondi). Trascrivi le temperature misurate in una tabella e disegna un grafico con l'aumento di temperatura dell'acqua nel tempo. Tempo (s) Temperatura dell'acqua ( o C) Grafico (usa il software Excel) Esempi di valori misurati: Misurare l'efficienza del fornello elettrico per riscaldare l'acqua Massa dell'acqua - m Temperatura iniziale dell'acqua to 0.55 kg 25 C Temperatura finale dell'acqua - t 90 C Capacità termica specifica dell'acqua - c 4180 J kg K -1 Calcolo del calore necessario a scaldare l'acqua - Q (formula, risultato) Potenza dei fornelli - P0 Tempo di riscaldamento - (s) Q = mc (t - t0) J 2200 W 128 s Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento (formula, risultato) W = P J 7

8 Calcolo dell'efficienza del fornello (formula, risultato) = (Q / W) 100% 53% Obiettivo 2: Calcola il costo in CZK (corona ceca) e in Euro dell'energia richiesta per il riscaldamento Avanzamento del lavoro: Trova su internet il prezzo per unità di gas ed energia elettrica. Per esempio: Gas - prezzo per unità 11,00 CZK / m 3 Elettricità - prezzo per unità 3,50 CZK / kwh Riassumi i risultati dell'obiettivo 2 in una tabella. Confronta il prezzo dell'energia. Obiettivo 3 Sviluppare una tabella riassuntiva Gas Pentola con (senza) coperchio: Tempo di riscaldamento Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione Risparmio di riscaldamento con il coperchio Risparmio di riscaldamento con il coperchio - percentuale Elettricità Pentola con (senza) coperchio: Tempo di riscaldamento Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione 8

9 Risparmio di riscaldamento con il coperchio Risparmio di riscaldamento con il coperchio - percentuale Fornello a induzione Pentola con (senza) coperchio: Tempo di riscaldamento Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione Risparmio di riscaldamento con il coperchio Risparmio di riscaldamento con il coperchio - percentuale Esempio - tabella riempita coi dati Gas valore numerico dell'unità Pentola con coperchio: Tempo di riscaldamento 245 s Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione 0,012 m 3 Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione 0,13 CZK Pentola senza coperchio: Tempo di riscaldamento 285 s Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione 0,014 m 3 Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione 0,15 CZK Risparmio di riscaldamento con il coperchio 0.02 CZK Risparmio di riscaldamento con il coperchio - percentuale 16.7% 9

10 Elettricità Pentola con coperchio: Tempo di riscaldamento Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione 360 s 0, 19 kwh 0,67 CZK Pentola senza coperchio: Tempo di riscaldamento Energia necessaria a riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione Costo dell'energia richiesta per riscaldare l'acqua al punto di ebollizione 375 s 0,21 kwh 0,74 CZK Risparmio di riscaldamento con il coperchio 0,07 CZK Risparmio di riscaldamento con il coperchio - percentuale 10,5% Confronto dell'efficienza di vari tipi di fornelli: La seguente tabella mostra l'efficienza di vari tipi di fornelli, che sono usati per riscaldare 1,9 litri d'acqua da una temperatura di 20 C al punto di ebollizione. Tecnologia Tempo di riscaldamento Energia Efficenza Fornello a induzione 4 minuti 46 secondi 745 kj Da 83 a 90 % Fornello elettrico 9 minuti 0 secondi 1120 kj 45 % Gas 6 minuti 2 secondi 1220 kj 55 % 10

11 Nota: Nella tabella si è considerato solo l'efficienza del fornello. L'efficienza del sistema di trasmissione e distribuzione di gas ed elettricità non è preso in considerazione ( Discussione: 1. Descrivi i vantaggi e gli svantaggi di ogni fornello che è stato usato nell'attività di laboratorio. 2. Cerca di creare più casi possibili nei quali puoi usare i dati della tabella. 3. Costruisci un grafico appropriato (istogramma), da cui sarà chiaro quali tipi di fornello puoi raccomandare per l'uso casalingo sulla base della loro efficienza. 4. Prepara un poster o una presenzatione power point con i risultati delle tue misure. Attività addizionale Studia il processo di riscaldamento dell'acqua su un fornello elettrico e un fornello ad induzione. Cosa osservi? A quali conclusioni puoi giungere? Nel rispondere alla domanda puoi studiare le immagini seguenti. L'immagine a) mostra il riscaldamento di una pentola d'acqua con un fornello ad induzione, l'immagine b) con un fornello elettrico. 11

12 Studia il processo di riscaldare l'olio con le stesse condizioni. Discuti le tue osservazioni. 12

13 Scheda Fornello elettrico Pentola con coperchio Pentola senza coperchio Massa dell'acqua - m (kg) Temperatura iniziale dell'acqua - t0 ( o C) Temperatura finale dell'acqua - t ( o C) Calore necessario per riscaldare l'acqua - Q (J) Potenza del fornello - P0 (valore nominale indicato sull'apparecchio) (W) Tempo di riscaldamento - (s) Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento - W = P0 (J) Calcolo dell'efficienza del fornello - (%) Capacità termica specifica dell'acqua - c = 4180 J kg K -1 Calcolo del calore necessario a scaldare l'acqua - Q (J) Q = mc (t - t0) Potenza dei fornelli - P0 (valore nominale indicato sull'apparecchio) (W) Tempo di riscaldamento - (s) Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento - W = P0 (J) Calcolo dell'efficienza del fornello - (%) = (Q / W) 100% Fornello a gas Pentola con coperchio Pentola senza coperchio Massa dell'acqua - m (kg) 13

14 Temperatura iniziale dell'acqua - t0 ( o C) Temperatura finale dell'acqua - t ( o C) Calore necessario per riscaldare l'acqua - Q (J) Potenza del fornello - P0 (valore nominale indicato sull'apparecchio) (W) Tempo di riscaldamento - (s) Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento - W = P0 (J) Calcolo dell'efficienza del fornello - (%) Fornello ad induzione Pentola con coperchio Pentola senza coperchio Massa dell'acqua - m (kg) Temperatura iniziale dell'acqua - t0 ( o C) Temperatura finale dell'acqua - t ( o C) Calore necessario per riscaldare l'acqua - Q (J) Potenza del fornello - P0 (valore nominale indicato sull'apparecchio) (W) Tempo di riscaldamento - (s) Calcolo dell'energia totale fornita durante il riscaldamento - W = P0 (J) Calcolo dell'efficienza del fornello - (%) 14