Riassunto / Abstract

L’attività sperimentale consente di osservare qualitativamente la dilatazione termica dell’aria e di determinarne il coefficiente di dilatazione cubica.

Le caratteristiche della strumentazione e la facilità d’esecuzione, rendono l’esperienza adatta a una classe seconda di Liceo scientifico suddividendo gli studenti in gruppi di lavoro.  

Scheda sintetica delle attività

La dilatazione termica dei corpi è il fenomeno fisico relativo all’aumento del volume di un corpo all’aumentare della temperatura. Per gli aeriformi che non hanno un volume proprio, è più corretto parlare di “espansione”.

L’aria e tutti gli aeriformi hanno approssimativamente la stessa dilatazione. Quando negli aeriformi si ha un aumento di temperatura, le molecole si muovono più velocemente e conseguentemente, aumenta la pressione dovuta al  numero degli urti delle molecole con le pareti del recipiente per unità di tempo.

 Se si riscalda l’aeriforme in un recipiente chiuso avente una parete mobile, la parete si muove fino, aumentando il volume occupato dall’aeriforme. Se l’espansione avviene a pressione costante (isobara), il coefficiente di dilatazione volumico  per l’aria a 0°C  è \(\alpha_V = 1/273,15\ K = 3,66 \cdot 10^{-3}\ K^{-1}\).

Per eseguire l’esperimento, gli studenti, suddivisi in gruppi di lavoro,

1. modificano la siringa con la quale osservare la dilatazione termica dell’aria e misurare il coefficiente di dilatazione cubica a pressione costante;
2. predispongono il resto della strumentazione;
3. eseguono le varie fasi dell’esperienza, raccolgono i dati ed li elaborano;
4. discutono i risultati ottenuti ed elaborano una breve relazione dell’attività svolta.

Risorse necessarie

• Siringa da \(5\ cm^3\) con ago mozzato e sigillato;
• termometro o sonda termometrica;
• recipiente per far bollire l’acqua;
• fornello elettrico o, in alternativa, bollitore elettrico.

Prerequisiti necessari

Da le “Indicazioni nazionali per i Licei”DPR n. 89-2010

• Osservare e identificare fenomeni;
• formulare ipotesi esplicative utilizzando modelli, analogie e leggi;
• fare esperienza e rendere ragione del significato dei vari aspetti del metodo sperimentale, dove l’esperimento è inteso come interrogazione ragionata dei fenomeni naturali, scelta delle variabili significative, raccolta e analisi critica dei dati e dell’affidabilità di un processo di misura, costruzione e/o validazione di modelli.

Obiettivi di apprendimento

• Conoscere i concetti di temperatura, di energia termica e di calore; 
• conoscere le scale termometriche; 
• conoscere il fenomeno della dilatazione termica lineare e di volume dei corpi e le formule che la esprimono;
• saper individuare le caratteristiche importanti degli strumenti utilizzati; 
• saper esprimere la misura di una grandezza e la sua incertezza usando correttamente le unità di misura;
• saper utilizzare in sicurezza la strumentazione fornita; 
• saper relazionare in modo chiaro e coerente i risultati dell’attività sperimentale.

Dotazioni di sicurezza

Tenere la siringa con una pinza da laboratorio o una molletta da bucato quando la si immerge nell’acqua in ebollizione

Svolgimento

Esecuzione delle misure

Riempire il recipiente di acqua prelevata dal rubinetto e registrarne la temperatura \(T_0\).

Tolto l’ago sigillato dalla siringa, disporre il pistone sulla graduazione \(V_0 = 4 cm^3\) e poi riapplicare l’ago al cono.

Immergere nell’acqua a temperatura ambiente il corpo della siringa lasciando il pistone libero di muoversi e registrare il valore del volume.

Scaldare l’acqua fino all’ebollizione e immergere in essa la siringa per una decina di secondi.

Osservare il movimento del pistone e leggere il volume V raggiunto dall’aria nella siringa. 

Raccolta ed elaborazione dei dati

Temperatura iniziale \(T_0\ = (23,2 \pm 0,1)°C\); volume iniziale  \(V_0 = (4,0 \pm  0,1)cm^3\).

Temperatura finale \(T_f\ = (100,0 \pm 0,1)°C\); volume finale \(V_f = (5,0 \pm  0,1)cm^3\).

Variazione di temperatura utilizzata: \(\Delta T = (76,8 \pm 0,2)°C\).

Variazione di volume misurato: \(\Delta V = (1,0 \pm  0,2)cm^3\).

Da questi valori determiniamo il coefficiente di dilatazione volumico dell’aria:

\[\alpha _V = \frac{1}{V_0} \cdot \frac{\Delta V}{\Delta T} = (3,2 \pm 0,4)\cdot 10^{-3}\  °C ^{-1}\]

Poiché nella formula  compare una differenza di temperatura, l’unità di misura di \(\alpha _V\) può essere espressa anche in \(K^{-1}\).

La stima del valore di \(\alpha _V\) può ritenersi, relativamente al processo di misura non certo sofisticato, buona, anche se non in perfetto accordo entro gli errori di misura con il valore teorico.

E’ utile far riflettere gli studenti su quanto il valore trovato sia superiore a quello dell’acqua che tra 20 e 40 °C, ha un valore di \(\alpha _V = 0,386\cdot 10^{-3} K^{-1}\), ovvero ben 10 volte!

Note e storia

Chiedere agli studenti di individuare le cause che possono far discostare il valore sperimentale di \(\alpha _V\) da quello teorico tenendo presente che quest’ultimo è il valore alla temperatura di 0°C.

Si può ripetere l’esperienza utilizzando un volume iniziale nella siringa diverso, per verificare se la scelta di avere \(4cm^3\) sia la più adatta.

Bibliografia

• La dilatazione termica e Leggi dei gas  http://online.scuola.zanichelli.it/alt/lafisicadiamaldi/pdf/Zanichelli_fisica_amaldi2_cap1.pdf
• Dilatazione dell’aria e dell’acqua a confronto http://www.robertoocca.net/fis/term/dlt/dlt_acqua_aria.htm

Autori

Proietti Orietta

 

Specifiche esperimento Materia Fisica Classi a cui è rivolto 1° e 2° biennio Tipologia di laboratorio Strumentazione semplice Reperibilità del materiale Uso quotidiano, negozi specializzati, siti web Materiale specifico Siringa con ago sigillato, termometro, recipiente, fornello elettrico Durata esperimento in classe 1 h Capacità di bricolage/assemblaggio No Necessità lavorazioni meccaniche/elettroniche No Necessità PC per acqusizione/analisi dati No Necessità di uno smartphone No Parole chiave Termodinamica Trasformazioni termodinamiche Dilatazione termica Gas perfetti