Temperatura e calore

I FENOMENI TERMICI
Leonardo Barsantini
Si laurea in Fisica e consegue diplomi in corsi di perfezionamento post-laurea su tematiche inerenti
la didattica. Docente nella scuola secondaria, collabora a progetti degli IRRSAE Abruzzo e
Toscana, e a specifiche attività in qualità di formatore nelle scuole. Suoi articoli sono pubblicati su
alcune riviste fra le quali Insegnare e Naturalmente. E' membro del gruppo di ricerca e
sperimentazione didattica in educazione scientifica del CIDI Firenze.
Indice
- Introduzione
- Combustione ed Evaporazione
- La fusione e la solidificazione
- Temperatura e calore
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Introduzione
La confusione fra temperatura e calore, ritenendo quest’ultimo l’espressione di uno stato,
crea gravi problemi (si fa riferimento al materiale "Le concezioni degli studenti"). Il fatto è che c’è
la tendenza a organizzare la conoscenza con la categoria delle proprietà degli oggetti, piuttosto che
con le interazioni fra sistemi – specie quando uno di questi sistemi è il corpo umano. E’ quindi
necessario procedere valorizzando gli indizi, affinché gli studenti appuntino la loro attenzione sugli
elementi ritenuti significativi, tenendo conto che le concezioni di senso comune esercitano un forte
ancoraggio. Inoltre queste concezioni sono fortemente condizionate dai contesti.
Questo lavoro deve partire dalla scuola elementare per poi svilupparsi a tappe successive
attraverso la scuola media – siamo all’interno della nuova scuola primaria – per arrivare a
compimento nel biennio obbligatorio della scuola secondaria. Questo non significa che al termine
dell’obbligo scolastico gli studenti debbano aver fatto tutte le leggi della termodinamica, ma
piuttosto che sia stato permesso loro di affrontare un itinerario coerente che metta ordine sui
concetti di base di temperatura e calore. E’ la capacità di guardare ai fenomeni che ci circondano in
modo non contraddittorio – e non mi riferisco solo ai fenomeni di tipo scientifico – che interessa, e
non l’enunciazione a memoria delle tante leggi della fisica.
Vediamo allora alcune indicazioni per lo sviluppo di un percorso sui fenomeni termici nella
scuola dell’obbligo.
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Combustione ed Evaporazione
La combustione
Classe III della scuola elementare
1. Identificazione delle sostanze combustibili.
2. Necessità di un innesco.
3. Le sostanze combustibili si consumano: alcune lasciano tracce – cenere -, altre come l’alcol non
lasciano tracce.
4. Emissione di fumo da parte di alcune sostanze.
5. Diversa velocità di combustione da mettere in relazione con la difficoltà d’innesco.
6. Durante la combustione si ha emissione di luce e calore, inteso, quest’ultimo, come trasferimento
di “qualcosa” dal luogo della combustione verso l’esterno.
Gli studenti sono portati a fornire una “definizione operativa” di combustione e di sostanza
combustibile attraverso l’osservazione e la classificazione di alcune sostanze e delle loro proprietà.
Ciò è ben diverso dal mostrare il fenomeno e fornirne una definizione puramente linguistica.
L’evaporazione
Classe IV
1. Descrizione del riscaldamento dell’acqua.
2. Definizione del fenomeno dell’ebollizione dell’acqua.
3. Che cos’è il “fumo”.
4. Ebollizione e condensazione.
5. Che cosa sono le bolle che si formano durante il riscaldamento dell’acqua.
6. L’acqua bolle a una temperatura determinata.
7. L’evaporazione dell’acqua.
Se, prima di questo, si sviluppa un percorso sulle soluzioni si può mostrare come sia
possibile riottenete le sostanze sciolte in acqua, ad esempio sale, facendo evaporare o bollire
l’acqua. Adesso è necessario sviluppare un percorso specifico per iniziare una prima
concettualizzare dei fenomeni termici. Anche in questo caso si deve fornire una definizione
operativa dell’ebollizione attraverso l’attenta osservazione e la descrizione delle varie fasi del
riscaldamento dell’acqua. L’introduzione del processo inverso dell’ebollizione, la condensazione,
permette di mettere in evidenza i due fenomeni, fra loro reversibili, del riscaldamento e del
raffreddamento. Anche se in modo descrittivo, si pongono le basi per una prima analisi sulla
“struttura della materia” intrecciandola con i fenomeni termici. Il termine calore fa sicuramente
parte del linguaggio comune ed è quindi importante che si ponga l’accento sul “trasferimento di
calore”. Il termometro è uno strumento conosciuto dai bambini, e può essere utilizzato senza darne
una giustificazione nello studio dell’ebollizione dell’acqua. Oltre a osservare con attenzione il
funzionamento dello strumento, si possono ricavare i dati per costruire un grafico della temperatura
dell’acqua in funzione del tempo, ma soprattutto si può proporre la situazione problematica
dell’ebollizione dell’acqua, permettendo agli studenti di scoprire la costanza della temperatura. Si
può infine indagare l’evaporazione dell’acqua contenuta in recipienti mantenuti a temperatura
ambiente e confrontare la diversa velocità di evaporazione rispetto a contenitori posti presso
sorgenti cosiddette di calore.
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La fusione e la solidificazione
Classe V
1. La fusione del ghiaccio.
2. La solidificazione dell’acqua.
3. La fusione e la solidificazione di altre sostanze: burro, cera, stagno, paraffina.
4. Variazione del volume durante il riscaldamento o la fusione.
Lo studio dei cambiamenti di stato è introdotto con il percorso sull’evaporazione, ma è
opportuno che queste tematiche siano riprese e approfondite per puntualizzare ulteriormente le
differenze fra la temperatura e il calore. Lo studio di materiali diversi nei passaggi di stato mette in
evidenza l’importanza di fornire o togliere calore, grandezza di interazione, rispetto alla temperatura
del corpo, grandezza di stato. Lo scambio di calore avviene fra sistemi a temperatura diversa, da
quello a temperatura maggiore verso quello a temperatura minore. Le misure effettuate sul ghiaccio,
mettono in evidenza che la sua temperatura può essere inferiore a 0°C.
Il riscaldamento o la fusione di una sostanza provocano una variazione di volume, al
contrario di ciò che accade per il peso. L’acqua mostra un comportamento anomalo rispetto ad altre
sostanze: il volume del ghiaccio è maggiore del volume dell’acqua.
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Temperatura e calore
Scuola media
1. Durante la fusione, mentre il volume varia, il peso rimane inalterato
2. L'importanza del comportamento anomalo dell'acqua
3. Come e quando si verifica la fusione
4. Determinazione della temperatura di fusione della naftalina
5. La legge di natura della costanza della temperatura di fusione
6. Una prima distinzione fra temperatura e calore
7. Un'esperienza su temperatura e calore
8. Il termometro
Dopo il lavoro svolto nelle classi precedenti, è necessario tirare le fila per riflettere
nuovamente sui fenomeni studiati e inquadrarli all’interno di una visione semplice ma coerente che
si basi sui due concetti di temperatura e calore.
Essere a conoscenza della variazione di volume con la temperatura, permette di riflettere su
come sia possibile realizzare un termometro. Si pone la necessità di determinare due punti fissi per
la taratura del termometro.
Lo studio dei fenomeni termici non è banale in quanto sono presenti fenomeni di disturbo –
sensazioni corporee, dispersioni di calore – che contribuiscono a creare confusione. E’ quindi
importante concentrare l’attenzione sulla necessità di distinguere i due concetti di temperatura e
calore.
La temperatura è una grandezza di stato perché con il suo valore caratterizza lo stato di un
corpo. Il calore è una grandezza di interazione fra due sistemi; qui è importante mettere l'accento sul
"calore trasmesso", scoraggiando la tendenza a parlare di "calore posseduto" dal corpo.
Si puntualizzano le prime differenze fra temperatura e calore riprendendo anche lo studio
sulla fusione e la solidificazione per mostrare che nei cambiamenti di stato, pur fornendo calore,
non si ha variazione di temperatura.
Scuola secondaria
Si tratta di riprendere il lavoro fin qui fatto per puntualizzare, anche a livello terminologico,
le differenze fra calore e temperatura. Calore e temperatura sono grandezze diverse: estensiva e
d’interazione la prima, intensiva e di stato la seconda. Anche il concetto di equilibrio termico, di per
sé problematico, può essere affrontato. Se le prove mostrano che i corpi tendono a portarsi
all’equilibrio termico, allora perché alcuni corpi presenti in una stanza sembrano più caldi di altri?
Entrano in gioco anche le sensazioni corporee. I corpi che sembrano più freddi sono quelli che
conducono meglio il calore. Il corpo umano ha una temperatura definita. Il termometro usato per
misurare la febbre fornisce la stessa temperatura degli altri termometri. Nel contatto fra il corpo
dello sperimentatore e l’oggetto a temperatura inferiore si ha un passaggio di calore maggiore o
minore secondo il materiale che forma l’oggetto. Le sensazioni sono quindi guidate dalla
temperatura degli oggetti, ma anche dalla loro capacità di condurre il calore. Il maglione di lana
fornisce calore, cioè è una sorgente di calore, o isola il corpo della persona riducendo l’interazione
con l’esterno? Queste e altre domande contribuiscono alla costruzione di concetti semplici, ma
fondamentali per affrontare gli studi nella termodinamica.
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Bibliografia
E. Borchi, R. Macii – Termometri e termoscopi – Pubblicazioni dell’Osservatorio Ximeniano di
Firenze, 1997
J. H. Heilbron – Alle origini della fisica moderna – Il Mulino, 1984.
E. Bellone – Caos e armonia – UTET, 1990.
E. Albert – Development of the Concept of Heat in Children – Science Education, 1978.
G. Cavallini – La formazione dei concetti scientifici – La Nuova Italia, 1995.
A. B. Arons – Guida all’insegnamento della fisica – Zanichelli, 1992.
M. Vicentini, M. Mayer (a cura di) – Didattica della fisica – La Nuova Italia, 1996.
C. Fiorentini – La prima chimica – Franco Angeli, 1990.
N. Grimellini Tomasini, G. Segré (a cura di) – Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali
degli studenti – La Nuova Italia, 1991.
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