Riassunto / Abstract

Nel linguaggio di tutti i giorni temperatura e calore sono confuse tra di loro e questo rende difficile comprenderne la differenza. L’esperimento chiarisce il concetto di calore mettendolo in relazione con i vari fenomeni attraverso cui esso si propaga, cioè i meccanismi attraverso cui due corpi inizialmente a temperatura diversa, messi in contatto tra di loro, si scambiano calore, scaldandosi uno e raffreddandosi l’altro, fino a raggiungere la stessa temperatura.

Scheda sintetica delle attività

Questo esperimento è parte di un percorso articolato in esperimenti complessivi rivolti all’approfondimento dei concetti di calore, di temperatura e della loro misura. Gli altri esperimenti sono gli esperimenti 58-Fisica, 59-Fisica e 64-Fisica.
Esso è articolato in una sequenza di attività di laboratorio, svolte tutte con l’utilizzo di materiali poveri e con riferimenti a situazioni reali, nelle quali viene illustrato principalmente qualitativamente il concetto di calore e i diversi meccanismi con cui esso si propaga da un corpo ad un altro.
La scansione delle attività è ispirata alla metodologia delle cinque ” E” (engage, explore, explain, elaborate, evaluate).

Risorse necessarie

fili metallici di rame, ferro e alluminio;
blocchetti di legno;
puntine da disegno;
attach;
contenitore alto di vetro pirex;
acqua;
ghiaccio;
olio;
colorante scuro;
contagocce;
due blocchetti di legno
candela o fiammella;
trottolina di carta;
provetta di vetro;
paglietta di lana d’acciaio;
termometro;
lampada riscaldante.

Prerequisiti necessari

Conoscere le proprietà fondamentali macroscopiche della materia: massa, volume, densità e gli stati di aggregazione;
conoscere la composizione microscopica della materia;
conoscere il fenomeno della dilatazione termica;
conoscere il significato di pressione, energia cinetica e le leggi di conservazione.

Obiettivi di apprendimento

Conoscere il concetto calore e le relative unità di misura;
conoscere il significato di capacità termica e di calore specifico;
conoscere e saper distinguere i diversi meccanismi di propagazione del calore;
saper distinguere i concetti di temperatura e calore;
saper formulare ipotesi relative a temperatura e calore su fenomeni della vita quotidiana;
saper condurre esperimenti e trarne spiegazioni e conclusioni a ciò che si è osservato e sperimentato.

Dotazioni di sicurezza

Nessuna

Svolgimento

Viene proposta la realizzazione di alcune attività relative alle proprietà del calore e al fenomeno della sua propagazione del calore, riportate nell’allegato Esperimenti sulla propagazione del calore.
Le attività proposte sono:

“I metalli conducono il calore”; presenta una situazione problematica inerente il calore, indagando come alcuni fili metallici conducono il calore, formulando ipotesi, misurando i tempi di trasmissione del calore e spiegando anche perché alcuni corpi li avvertiamo più freddi mentre altri più caldi.
“I liquidi conducono il calore”; mostra come nei liquidi la trasmissione di calore avvenga con modalità diverse dai solidi, cioè per trasporto di materia.
“Gli aeriformi conducono il calore”; mostra che anche negli aeriformi la trasmissione di calore avviene per trasporto di materia, evidenziando che in uno stesso contenitore il fenomeno della convezione e quello della conduzione possono coesistere.
“Differenze tra conduzione e convezione”; con esempio pratico si chiarisce meglio la differenza tra le due propagazioni.
“Il calore si propaga anche senza correnti”; mostra che il calore può propagarsi anche senza contatto e senza trasporto di materia e illustra dettagliatamente il fenomeno dell’irraggiamento.

Approfondimenti sul calore

Anche per il calore, come per la temperatura, è necessario pertanto stabilire una unità di misura. Avendo specificato che il calore è energia in transito, legata cioè al moto traslatorio delle molecole, è possibile utilizzare come unità di misura il Joule (J), che viene comunemente usato per misurare qualsiasi forma di energia. Nel passato, l’unità di misura più comunemente usata per il calore era la caloria, che corrisponde alla quantità di calore che bisogna somministrare per aumentare da 14,5 °C a 15,5 °C la temperatura di un grammo di acqua, posta al livello del mare. La conversione tra Joule e caloria fu introdotta dal fisico J.P. Joule che determinò “l’equivalente meccanico del calore”, con il famoso esperimento del mulinello. https://it.wikipedia.org/wiki/Mulinello_di_Joule

Si può osservare ancora che variando la quantità di materia messa a riscaldare per uno stesso tempo e con la stessa sorgente di calore, la temperatura raggiunta dipende dalla massa. La “capacità” di una sostanza di accumulare o cedere calore viene chiamata capacità termica. Si può osservare, inoltre, che variando la materia messa a riscaldare per uno stesso tempo e con la stessa sorgente di calore, la temperatura raggiunta dipende dalla sostanza. Un’altra importante sua caratteristica è il calore specifico, che rappresenta (tradizionalmente) la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado la massa unitaria di un corpo (1Kg).

Calore specifico e legge fondamentale della calorimetria

L’aumento della temperatura di un corpo è causato (ma non solo) dal passaggio di calore dall’esterno all’interno del corpo, la diminuzione di temperatura dal passaggio inverso (dal corpo all’esterno). Mettendo a contatto due corpi con temperature differenti, le particelle del corpo a più alta temperatura, quindi con maggior agitazione termica, interagiscono con quelle del corpo a minor temperatura e con minor agitazione termica, cedendo a queste parte della propria energia cinetica. Il processo termina quando le molecole dei due corpi raggiungono lo stesso stato di agitazione, cioè la stessa energia cinetica media, quindi la stessa temperatura.

Calore specifico di una sostanza
Sperimentalmente possiamo verificare che la quantità di calore \(Q\) che un corpo di massa \(m\) acquista o cede quando è soggetto alla variazione di temperatura \(\Delta T\) è dato da: \(Q = mc\Delta T\). \(Q\) è una forma di energia, quindi si misura in joule (J); inoltre esso è:

direttamente proporzionale alla massa \(m\) del corpo
direttamente proporzionale alla variazione di temperatura \(\Delta T\) subita dal corpo;
dipendente dalla sostanza di cui è formato il corpo.

La costante di proporzionalità \(c\) è caratteristica del materiale e prende il nome di calore specifico:

\[c = \frac{Q }{m \Delta T}\]

Il calore specifico rappresenta la quantità di energia che l’unità di massa di una sostanza deve assorbire o cedere per aumentare o diminuire di un grado la propria temperatura. Nel Sistema Internazionale l’unità è espressa quindi in \(\large{\frac{J}{kg\ K}}\); tradizionalmente è espressa in \(\large{\frac{cal}{g\ °C }}\).

Nella tabella che segue sono riportati i calori specifici di alcune sostanze

La capacità termica di un corpo

La capacità termica \(C\) di un corpo è il rapporto tra la quantità di calore \(Q\) che acquista o che cede e la conseguente variazione di temperatura

\[C = \frac{Q}{\Delta T}\]
Essa rappresenta la quantità di calore ceduto o assorbito da un dato corpo quando la temperatura varia di un grado kelvin; il suo valore è sempre positivo perché \(Q\ e \Delta T\) hanno lo stesso segno.
La capacità termica \(C\) e data dalla relazione: \(C = mc\).

L’acqua è una delle sostanze che hanno capacità termica più elevata ed ha, quindi, una grande capacità di mantenere il calore assorbito. Per questo motivo l’acqua è una sostanza ideale in numerose applicazioni pratiche. Ad esempio, nei sistemi di raffreddamento dei motori o di impianti che producono calore; è per questo motivo che il mare ha un grande effetto mitigante sulla temperatura dell’ambiente.

Note e storia

Il calore e la temperatura: breve introduzione storica

Nel XVII secolo cominciarono ad essere studiati ,scientificamente, i fenomeni termici, ma fu difficile capire quali grandezze fisiche dovevano essere prese in considerazione. Galileo Galilei supponeva che il calore fosse la conseguenza di una moltitudine di “corpicelli minimi o ignei” che si muovevano ad alta velocità,mentre le idee teoriche dominanti erano quelle della “Teoria del flogisto”.

La teoria del flogisto (dal greco “infiammabile”) proposta da un certo J.J. Becher (1635-1682) ,medico tedesco, che lavorava tra alchimia e chimica e perfezionata da un altro medico tedesco G.E. Stahl (1660-1734) consisteva nel presupporre l’esistenza di una sostanza chiamata “flogisto” che si liberava sia quando veniva bruciato materiale organico, sia trattando materiali con il calore in aria libera. Siccome in alcuni processi chimici ,nei quali il flogisto si pensava doveva essere eliminato, il peso dei prodotti ottenuti era maggiore rispetto alle sostanze di partenza,si ipotizzò che avesse peso negativo o privo di peso.

La teoria del flogisto dovette soccombere a causa dell’opera di A.L. Lavoisier (1743-1794) attraverso l’uso sistematico della bilancia analitica nello studio delle reazioni chimiche. Egli dimostrò che i processi di combustione e ossidazione coinvolgono l’ossigeno dell’aria e non una fuoriuscita del flogisto.

Ma che cosa era il calore?

Secondo alcuni il calore era una sostanza “il calorico” dotata o no di peso, secondo altri il calore era una specie di moto, probabilmente una vibrazione.

La prima ipotesi la si deve a Lavoisier: per spiegare i fenomeni termici , egli ritenne opportuno supporre l’esistenza di un fluido “il calorico” straordinariamente elastico, indistruttibile ed estremamente sottile per poter penetrare nei corpi quando venivano scaldati o fuoriuscirne quando venivano raffreddati; doveva, inoltre, anche, essere privo di peso, al fine di dare conto dei dati sperimentali nei fenomeni di riscaldamento o di raffreddamento.

La teoria del calorico,però, non riusciva a spiegare alcuni fenomeni: per fondere il ghiaccio lo si deve scaldare e si osserva che durante il passaggio dalla fase solida a quella liquida la temperatura resta costante. Ci si chiedeva dove andasse a finire il calore fornito durante il passaggio di fase.

Era anche noto che un corpo si scalda per attrito. Ci si chiedeva da dove provenisse quel calore.

Il fisico Thomson (1753-1814), osservando il calore sviluppato durante il processo di alesatura dei cannoni con la produzione di trucioli metallici incandescenti, concluse che:

“La sorgente del calore generato per attrito,in questi esperimenti, appariva manifestamenteinesauribile ..”

Quindi ,pensava,una cosa che può essere fornita senza limitazioni,non può essere una sostanza materiale,ma doveva essere legata al movimento.

Questa idea , in realtà,riprendeva un’ipotesi maturata nello studio dei gas ad opera dei fisici Boyle e Bernoulli. Quest’ultimo introdusse un modello cinetico molecolare, per spiegare il moto dei fluidi gassosi: i gas sono un insieme di particelle microscopiche perfettamente elastiche, in moto caotico e quindi sottoposte ad urti reciproci. Thomson riconduceva il calore al movimento di particelle materiali,le variazioni di temperatura alla loro velocità e la trasmissione del calore alle leggi meccaniche dell’urto.

Il lavoro di Thomson ,però,non servì ad accantonare la teoria del calorico che invece continuò a coesistere con la teoria cinetica fino alla metà del XIX secolo. Infatti la teoria del calorico spiegava, attraverso il concetto di calore latente, i fenomeni fisici in cui il calore sembrava scomparire. Il fluido calorico immagazzinato nei corpi si troverebbe nascosto (appunto latente) e si renderebbe “visibile” in determinate condizioni (per esempio con l’attrito).

Il fisico H. Davy (1778-1829) con un semplicissimo esperimento (è possibile fondere due pezzi di ghiaccio attraverso l’azione di sfregamento reciproco) fece accantonare definitivamente la teoria del calorico. Infatti era già noto che il calore specifico dell’acqua è maggiore dei quello del ghiaccio, quindi il calorico si sarebbe generato dal nulla; questa affermazione era in contraddizione con il concetto di calorico stesso.

Bibliografia

Bibliografia

L’Amaldi.blu e L’Amaldi.verde Zanichelli
Ruffo, Fisica: lezioni e problemi, seconda edizione di Lezioni di fisica, Zanichelli 2010
Parodi, M. Ostili, G. Mochi Onori – L’evoluzione della fisica vol.2 p.278 (corso di fisica per il liceo scientifico) – Paravia

Sitografia

Autori

Cantalupo Antonia

Schede / Allegati

Specifiche esperimento

Materia
Fisica
Classi a cui è rivolto
1° biennio
Tipologia di laboratorio
Povero
Reperibilità del materiale
Negozi specializzati, siti web
Materiale specifico
Fili metallici, grappette, candela, fornello elettrico, provetta, girandolina, lampada,
termometro, ghiaccio
Durata esperimento in classe
2 h
Capacità di bricolage/assemblaggio
Sì
Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche
No
Necessità PC per acqusizione/analisi dati
No
Necessità di uno smartphone
No
Parole chiave
Termodinamica
Termologia
Calore
Conduzione termica