ADTERM3
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Laboratorio per l’Educazione alla Scienza Percorso Didattico su Calore e Temperatura Attività didattica ADTERM3 Calore e Temperatura: Cambiamento di Stato, Trasferimento e Trasformazione d'Energia DATA: ...................................................................… SCUOLA: .................................................................. CLASSE: ................................................................... DOCENTE: ................................................................ COGNOME e NOME: .............................................. GRUPPO N°: .............................................................. Città dellàScienza ADTERM3 pag. 1 In questa attività misureremo il calore latente di fusione ed il calore latente di ebollizione e con una semplice strumentazione ricaveremo il valore dell'equivalente meccanico della caloria. Introdurremo il concetto di energia interna unitamente al primo principio della Termodinamica. Infine ripercorreremo insieme i punti più salienti dell'intero percorso di Calore e Temperatura. 1. CALORE LATENTE DI FUSIONE 1.1) Poni del ghiaccio in un bicchiere contenente dell’acqua. Ad intervalli di tempo regolari, misura la temperatura della miscela acqua – ghiaccio sia mentre il ghiaccio si fonde che dopo. Riporta i dati in tabella. t [s] T [°C] a) Descrivi l’andamento della temperatura. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… b) Cosa differenzia la fase di fusione del ghiaccio da quella successiva? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 1.2) Esperimento - Poni del ghiaccio nel thermos, accendi il riscaldatore, introducilo nel thermos e fai partire il cronometro, aspetta un tempo t = ........... s. a) Dopo aver fermato il cronometro attendi che il riscaldatore si sia raffreddato; quindi toglilo dal thermos e misura la massa d'acqua ottenuta dalla fusione del ghiaccio mf = ............ g. b) Esprimi in joule la quantità di calore fornita al ghiaccio durante la fusione (la potenza del riscaldatore è W = 300 watt) Q = ........... J. 1.3) Raccogli nella tabella seguente i dati forniti dai vari gruppi (la potenza del riscaldatore è W = 300 watt). Tabella della classe Gruppo 1 2 3 4 5 6 t [s] mf [g] Q [J] Q/mf [J/g] Città dellàScienza ADTERM3 pag. 2 7 8 9 c) Interpreta i risultati ottenuti. Che relazione esiste fra Q e mf ? .......................................................................................................……………………………………. .......................................................................................................................…………………………. .........................................................................................................................………………………... d) Osservazioni e commenti. .......................................................................................................……………………………………. .......................................................................................................................…………………………. .......................................................................................................……………………………………. .......................................................................................................................…………………………. .........................................................................................................................………………………... e) Fai la media dei valori ottenuti dai vari gruppi per Q/mf (ultima colonna in tabella). Il risultato ottenuto è una stima del valore del calore latente di fusione dell'acqua (f), f = ........... (J/g). 2. CALORE LATENTE DI EBOLLIZIONE 2.1) Esperimento - Bagnati la mano con un po’ di alcool. Descrivi quello che accade all’alcool insieme alle tue sensazioni. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Prova a interpretare le tue sensazioni in termini di temperatura e di calore scambiato. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2.2) Sul tavolo c’è un bicchiere d’acqua a temperatura ambiente, immergi il termometro e misura la sua temperatura T = …………... a) Ora togli il termometro dall’acqua e osserva come cambia la temperatura che segna il termometro. Descrivi a parole quello che osservi. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… b) Prova a interpretare l’andamento della temperatura. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Città dellàScienza ADTERM3 pag. 3 c) Avvicina il bulbo del termometro al ventilatore (oppure soffia sul bulbo). Cosa cambia nell’andamento della temperatura? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… d) Ripeti l’esperienza immergendo il termometro in un bicchiere di alcool. Cosa cambia? E cosa rimane invariato? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2.3) Esperimento - Retta di riscaldamento. Con la sonda di temperatura abbiamo registrato l’andamento T = T(t)della temperatura in funzione del tempo di una certa quantità d’acqua posta sul fornello. Fai uno schizzo del grafico ottenuto evidenziando l’intervallo di tempo in cui l’acqua è in ebollizione. a) Cosa distingue la fase di ebollizione da quella di riscaldamento? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… b) Cosa hanno in comune l’andamento nella fase di fusione con quello nella fase ebollizione ? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… c) A cosa serve il calore fornito dal fornello durante l’ebollizione? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2.4) Esperimento - Poni una certa quantità di acqua nel thermos; introduci il riscaldatore nel thermos, accendilo e porta l'acqua ad ebollizione. a) Misura ad intervalli di tempo regolari (ad es. ogni 2 minuti) la massa M del sistema (acqua + thermos). Dai valori ottenuti calcola la massa M = me della quantità d'acqua evaporata in ogni intervallo di tempo. b) Riporta i valori ottenuti nella tabella che segue. c) Sapendo che la potenza del riscaldatore è W = 300 watt e che il tempo per il quale l'acqua è evaporata è t = ......... s, esprimi in joule la quantità di calore fornita all'acqua durante l'ebollizione Q = ........... j. Città dellàScienza ADTERM3 pag. 4 t [s] Q [J] M = me [g] M [g] Q/me [J/g] d) Interpreta i risultati ottenuti. Che relazione esiste fra Q e me? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ .........................................……………………………………………………………………………... e) Con i dati della seconda e quarta colonna costruisci il grafico Q = Q(me). f) Valuta Q/me sull'intero intervallo di tempo (tf - ti) Q/me = .....……...... (J/g) g) Raccogli nella tabella seguente i dati forniti dai vari gruppi (la potenza del riscaldatore é W = 300 watt). Tabella della classe Gruppo 1 2 3 4 5 6 7 Città dellàScienza ADTERM3 pag. 5 Q/me 2.6) Fai la media dei valori ottenuti dai vari gruppi per Q/me. Il valore ottenuto è: e = ................... (J/g). Il risultato ottenuto è una stima del valore del calore latente di ebollizione dell'acqua. 2.7) Un pavimento bagnato si asciuga, i panni stesi al sole si asciugano…. fai altri esempi di situazioni - tratte dall’esperienza di ogni giorno - analoghe a quelle presentate. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… Queste situazioni cosa hanno in comune con l’acqua che bolle su un fornello e in cosa si differenziano? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2.8) Se mettiamo un bicchiere d’acqua nel frigo e aspettiamo un mese. Cosa succede all’acqua? ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… 2.9) Prova a interpretare i vapori che emanano i cubetti di ghiaccio. ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………… DISCUSSIONE (APPUNTI) Riscaldamento, Raffreddamento, Equilibrio Termico, Cambiamento Di Stato. a) In quali esperienze da te svolte, o più in generale, sotto quali condizioni, si rileva un flusso di calore tra due sistemi? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. b) In quali esperienze un flusso di calore comporta l'aumento di temperatura di un sistema ? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. c) Descrivi alcune esperienze nelle quali il flusso di calore non genera un aumento di temperatura. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. Città dellàScienza ADTERM3 pag. 6 d) Elenca tutti gli effetti provocati dal calore che hai incontrato in queste attività. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. 3. EQUIVALENTE MECCANICO DELLA CALORIA. 3.1) Esperimento - Descrivi l’esperienza svolta in aula. ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. ..................................................................................………………………………………………….. 3.2) Compila la tabella che segue con i risultati degli esperimenti svolti in aula (il calore specifico dell’acqua è c = 1 cal/g °C; la potenza nominale del frullatore è W = ........ W; il rendimento del frullatore è = ........ ). Ti [°C] Tf [°C] t [s] Q [cal] L [J] L/Q [J/cal] 3.3) Che relazione esiste fra Q ed L? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ ..................................................................................………………………………………………….. 3.4) Fai la media dei valori riportati nell’ultima colonna della tabella precedente. Il valore ottenuto rappresenta una stima dell’equivalente meccanico della caloria. L/Q = ..........………. (J/cal) 3.5) In quali unità si misura il calore? ................................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................................ 4. ESERCIZIO Città dellàScienza ADTERM3 pag. 7 4.1) Riscaldando una quantità d'acqua di massa ma = 330 g, per un tempo t = 120 s, con un riscaldatore di potenza W = 300 watt, abbiamo portato la temperatura dell'acqua da Ti = 52,0 °C a Tf = 78,1 °C. T = Tf - Ti = .................. °C Qual è la relazione che lega il calore (fornito dal riscaldatore all'acqua) alla variazione di temperatura dell'acqua? Q = W t = .................. J 4.2) Con un riscaldatore di potenza W = 300 watt abbiamo fuso, in un tempo t = 120 s, un pezzo di ghiaccio di massa mg = 108 g di ghiaccio posto a temperatura T = 0 °C. Qual è la relazione che lega la quantità di calore assorbita dal ghiaccio alla massa mg di ghiaccio fuso? Q = W · t = .................. J Ricava il valore del calore latente di fusione. f = …….................. 4.3) Con un riscaldatore di potenza W = 300 watt abbiamo fatto evaporare, per un tempo t =120 s, una quantità d'acqua di massa m = 16 g. Qual è la relazione che lega il calore (fornita dal riscaldatore all'acqua) alla massa me di acqua evaporata? Q = W · t = .................. J Ricava il valore del calore latente di fusione. f = .................. DISCUSSIONE (APPUNTI) Alla luce di quanto hai appreso su calore, lavoro, energia interna a) Un frullatore di potenza 200 watt e rendimento 0,7 (70%) funziona per 1 minuto con un 1 kg di acqua. Quanta energia meccanica viene trasferita? E = ………………………………………………………………………. Città dellàScienza ADTERM3 pag. 8 b) Di quanto incrementa la temperatura dell'acqua in 3 minuti di funzionamento del frullatore della domanda precedente? Quanto calore, espresso in calorie (cal), occorrerebbe per produrre, in un processo di riscaldamento, con la stessa quantità d'acqua, lo stesso incremento di temperatura? Q = ………………………………………………………………………. c) Avendo a disposizione una certa quantità di acqua, in quanti modi è possibile cambiare la sua energia interna? .......................................................................................................................…………………………. ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… .......................................................................................................................…………………………. ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… d) Nel primo principio della Termodinamica compaiono le grandezze calore, lavoro ed energia interna. Queste grandezze sono caratteristiche dello stato del sistema? Spiega la tua risposta. .......................................................................................................................…………………………. ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… .......................................................................................................................…………………………. ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… COMMENTI E RIFLESSIONI SULL'ATTIVITÀ SVOLTA .......................................................................................................................………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… .......................................................................................................................………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… .......................................................................................................................………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................…………… .......................................................................................................................………………………… ………………………………………………………………………………………………………… ……………........................................................................................................................……………
