calore e temperatura Bottega delle scienze Patrizia Roberta Iotti 12/11/2009 1

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Italo Orsini
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1 calore e temperatura Bottega delle scienze Patrizia Roberta Iotti 1

2 obiettivo didattico generale proporre ai ragazzi un percorso sperimentale che, partendo da una domanda iniziale, li conduca attraverso l osservazione (con strumenti costruiti da loro) ad una prima risposta. Questa prima risposta potra essere modificata via via che il ragazzo viene in possesso di ulteriori conoscenze, ripartendo da nuove domande 2

3 2 domande per cominciare Cos è la temperatura? Cos è il calore? Calore e Temperatura sono termini che fanno parte della nostra esperienza quotidiana fin da bambini, ma, in realtà,, non è facile definirle correttamente come grandezze fisiche e rispondere con precisione a queste domande. Patrizia Roberta Iotti 3

4 Misurare per conoscere Punto di partenza sono le conoscenze ingenue dei ragazzi e le loro esperienze quotidiane Come si misura la temperatura? Con un termometro che domande. Ma come si costruisce un termometro? 4

5 COSA FAREMO? Costruiremo insieme un semplice termometro per imparare a misurare la temperatura A cosa porre attenzione Fenomeno fisico :scambio termico con variazione di temperatura Lo scopo non è leggere una temperatura bensì comprendere come ciò sia possibile Patrizia Roberta Iotti 5

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8 In cucina per provare 8

9 Una osservazione guidata Cosa è successo? Riscaldare un corpo ha come effetto osservabile la variazione del suo volume Il fenomeno che abbiamo osservato è la dilatazione termica è il principio di funzionamento del termometro 9

10 Il modello :una legge semplice La variazione di volume è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura 10

11 a caccia delle cause Cosa ha provocato la variazione di volume? Uno scambio termico quindi il termometro funziona scambiando calore con il corpo di cui vogliamo misurare la temperatura Patrizia Iotti 11

12 Un limite intrinseco e le sue conseguenze lo scambio di calore continua ALL INFINITO?!!???! OVVIAMENTE NO! Quando i due corpi hanno raggiunto la stessa temperatura lo scambio termico cessa si raggiunge quindi una temperatura di equilibrio Patrizia Iotti 12

13 il fenomeno di scambio di calore avviene per stabilire un equilibrio termico. Indicando con ΔQ Q la quantità di calore scambiato tra due corpi : ΔQ ceduto = ΔQ assorbito è la LEGGE DI EQUILIBRIO TERMICO Patrizia Iotti 13

14 IL TERMOMETRO Il funzionamento di un termometro si basa su due principi : L EQUILIBRIO TERMICO e La DILATAZIONE TERMICA 14

15 Perché si usa il mercurio come liquido termometrico? Una nuova domanda che trova risposta ancora in un esperimento semplice Riempiamo tre flaconi con ACQUA COLORATA ALCOOL OLIO Patrizia Iotti 15

16 e chiudiamoli con tappi di plastilina nei quali inseriamo delle cannucce. Poniamo i tre flaconi in una vaschetta contenente acqua calda e attendiamo qualche minuto 16

17 paragonare per comprendere più a fondo Il livello dei tre liquidi nelle cannucce non è uguale! Da cosa dipende questo fatto? L attenzione va posta su analogie e differenze ΔV = κ V 0 ΔT ogni liquido si dilata in modo differente a fronte della stessa variazione di temperatura partendo dallo stesso volume iniziale! 17

18 Come si costruisce la scala termometrica? La linearità della legge di dilatazione permette di costruire una scala suddividendo in parti uguali la distanza tra due punti Punti fissi dell acqua ( i cambiamenti di stato) 18

19 Misurare per conoscere Come si misura il calore? con un CALORIMETRO ma cosa è? Come si costruisce un calorimetro? 19

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22 cosa va osservato? Il calore si disperde per lo scambio termico con l ambiente l (tendenza all equilibrio) Costruire un sistema isolato necessita una riflessione su come si propaga il calore nei diversi materiali Si può schermare per riflessione (alluminio) Lo strumento costruito è disomogeneo 22

23 Come si usa lo strumento? Produrre uno scambio termico all interno comprendere come avviene lo scambio Il principio (modello) è la legge della calorimetria Ora si può verificare la legge con un calorimetro delle mescolanze che non è più un oggetto sconosciuto 23

24 Misuriamo il calore scambiato negli scambi con variazione di il calorimetro delle mescolanze per verificare temperatura una legge semplice Patrizia Iotti 24

25 la quantità di calore ΔQ Q assorbito o ceduto è direttamente proporzionale alla variazione della temperatura ΔT legge della calorimetria : CAPACITA TERMICA ΔQ Q = C ΔT Patrizia Iotti 25

26 C = c s m quindi ΔQ Q = c s m ΔT e cioè? CALORE SPECIFICO La sua unità di misura è J / kg k Il calore specifico di una sostanza esprime la quantità di calore che si deve fornire ad 1 kg di tale sostanza per farne aumentare di 1k la temperatura. Patrizia Iotti 26

27 Ma il calorimetro è davvero isolato? Il problema della taratura dello strumento Un modello interessante il calorimetro è disomogeneo e allora come misurare il calore che assorbe o cede? 27

28 Ma cosa è il calore? Una nuova domanda che trova risposta ancora in un esperimento semplice La cascata di piombo 28

29 Il CALORE è una forma di ENERGIA che passa da un corpo a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore La TEMPERATURA è un indice dello stato termico di un corpo e definisce in modo oggettivo le sensazioni di caldo e di freddo. Patrizia Iotti 29

30 Come affrontare l l attività sperimentale? Tentare di rispondere alla domanda iniziale, tenendo presenti una serie di problemi: 1. Passaggio dalla osservazione alla modellizzazione e/o viceversa 2. Modelli usati 3. Problemi pratici di realizzazione 30

31 Quali concetti ci sono dietro? Cosa è la temperatura (calore) Cosa è un termometro (calorimetro) Scambi termici e loro effetti osservabili Concetto di equilibrio termico Proprietà dei corpi e delle sostanze ( capacità termica e calore specifico, costante di dilatazione termica) 31

32 Quali obiettivi disciplinari? Definizione operativa di temperatura e calore scambiato Conoscenza delle leggi fisiche della termologia Concetti di calore e temperatura e loro relazioni negli scambi termici 32

33 Il valore aggiunto Uno strumento di misura è un oggetto teorico Uso consapevole degli strumenti di misura Le leggi fisiche come modello matematico dello strumento utilizzato 33

34 In un percorso in laboratorio : a. Non dare mai risposte bensì invitare i ragazzi a ricercare le risposte alle domande iniziali e che emergono nel percorso b. Non finire mai una lezione con una risposta, ma lasciare sempre una domanda (i ragazzi saranno stimolati a cercare risposte ed eventualmente a chiedere se la loro risposta è corretta ) c. Invitare i ragazzi a ragionare sull esperienza fatta per mettere in moto una modalità di pensare. 34

35 La fase di valutazione del lavoro deve avvenire in un momento successivo al laboratorio. In genere il questionario, o il compito deve essere preparato all inizio, durante la progettazione iniziale per avere chiaro lo scopo. 35

36 Altre idee costruire un dinamometro costruire una bilancia a due bracci uguali Buon lavoro 36

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