Energia e Lavoro

Corso di Laurea in Scienze della Formazione Primaria
Corso di Didattica della Fisica - Indirizzo elementare
a.a. 2007/2008
Energia e Lavoro
Si può studiare il moto di un oggetto facendo uso delle tre leggi di Newton. In tale
analisi la forza ricopre un ruolo centrale in quanto rappresenta la grandezza fisica da cui
il moto si origina.
Una maniera alternativa per analizzare i processi fisici (non quando parliamo di
movimento ma anche di trasformazioni chimiche, di calore, etc.) è quella di introdurre la
grandezza fisica energia.
L’energia è una grandezza scalare ovvero non ha una direzione associata. Non è facile
dare in poche parole una semplice definizione dell’energia. Possiamo però provare ad
elencare tutte le forme di energia che riusciamo a percepire
energia muscolare
per muovere le articolazioni del corpo
energia chimica (calorie) dei combustibili per
garantire
le
funzioni
vitali
oppure dei cibi
dell'organismo
energia cinetica
delle cose che si muovono
energia termica
(fornire) per tenerci caldi, (cedere) per
congelare
energia idraulica (dell'acqua)
per muovere le pale di un mulino
energia eolica (del vento)
per fare muovere una barca a vela
energia elastica
per far scattare una molla
energia elettrica
per accendere una lampadina, per fare
funzionare il ferro da stiro , ecc.
L’energia è legata intimamente al concetto di lavoro*. Il lavoro, in fisica, descrive l’azione
di una forza su un oggetto mentre l’oggeto si muove, ovvero
lavoro= forza spostamento
*
La parola “energia” significa “forza in azione”.
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e si ha
lavoro = Newton metro= Joule
L’energia può essere definita (anche se questa definizione non è molto precisa) come la
capacità di compiere lavoro.
Un oggetto in moto ha capacità di compiere lavoro su un altro oggetto (un martello su
chiodo su cui batte) e quindi si dice che possiede energia. L’energia del moto è detta
energia cinetica.
E’ anche possibile individuare un’altra forma di energia che dipende invece dalla
posizione di un corpo. L’energia potenziale è la capacità di compiere un lavoro da
parte di un corpo a causa della posizione che occupa (un oggetto mantenuto sollevato a
una certa altezza possiede una certa energia potenziale, ovvero la capacità, se lasciato
libero, di compiere un lavoro).
La molla di un orologio a carica o di qualsiasi giocattolo a molla fornisce un seempio di
energia potenziale. La molla acquista energia potenziale a causa del lavoro che viene
compiuto su di essa dalla persona che carica l’orologio.
Una caratteristica fondamentale dell’energia è che si può trasformare da una forma
all’altra e può essere trasferita da un corpo all’altro, ma la somma di tutte le varie forme
che essa può assumere, l’energia totale, dopo ogni processo di trasformazione, rimane
costante. Anche il linguaggio scientifico spesso parla dell’energia in modo tale da indurre
molti a pensarla come una sostanza. L’energia non è però una “cosa” ma rappresenta
solo il criterio che ci permette di descrivere il passaggio da uno stato all’altro di una
varietà di sistemi in cui avvengono le trasformazioni più diverse.
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1. ENERGIA ELASTICA E TRASFERIMENTO DELL’ENERGIA
Materiale occorrente:
Un aeroplanino o un battello a elastico
Una fionda
Giocattoli a molla (sia a carica che semplicemente a molla)
Una scatola a molla contenente un pupazzo che salti fuori all'apertura
Svolgimento:
I giocattoli vengono azionati tendendo o attorcigliando elastici, comprimendo molle, oppure
piegando bacchette di legno o di metallo. Quando l'elastico, la molla o la bacchetta vengono
lasciate libere ritornano alla condizione di riposo iniziale scaricando l'energia fornita con l'azione
di tendere o attorcigliare e mettendo in movimento l'oggetto. Osservando attentamente come
sono costruiti alcuni giocattoli e i pezzi che li compongono, è possibile riprodurre i meccanismi
più semplici.
Le osservazioni da fare:
L'energia meccanica necessaria per comprimere o tendere una molla viene prima accumulata e
poi, non appena la molla è libera di ritornare alle condizioni iniziali, viene restituita sotto forma
di energia meccanica che consente il lancio di un oggetto o il movimento di un veicolo.
Nell'elenco dei materiali sono riportati alcuni oggetti abbastanza comuni: un giro in unnegozio
di giocattoli consente di trovare tantissimi oggetti che funzionano secondo lo stessoprincipio. Si
può chiedere agli allievi di verificare se tra i propri giocattoli vi siano oggetti che funzionano ad
energia elastica.
Calore e Temperatura
Una importante forma di energia è il calore. Il calore è l’energia che viene trasferita
da un corpo ad un altro per effetto di una differenza di temperatura. L’unità di
misura del calore è la caloria (cal) che è la quantità di calore necessaria ad innalzare di 1
grado centigrado la temperatura di 1 grammo d’acqua (più precisamente da 14.5 °C a
15.5 °C). Una caloria corrisponde a 4.186 Joule.
Quando una pentola d’acqua fredda viene messa su un fornello caldo, la temperatura
dell’acqua aumenta: il calore fluisce dal fornello caldo all’acqua fredda. Quando due
oggetti che si trovano atemperature differenti vengono posti a contatto, il calore fluisce
spontaneamente da quello caldo a quello più freddo: il flusso di calore avviene sempre
nella direzione che tende ad equilibrare la temperatura. Se i due oggetti sono tenuti in
contatto abbastanza a lungo, le loro temperature diverranno uguali.
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Gran parte dell’energia assorbita con il cibo viene dispersa dal corpo umano sotto forma
di calore.
Immaginiamo di aver mangiato l’equivalente di 600 cal e di volerle subito eliminare.
Andiamo in palestra e ci arrampichiamo su una corda. A quale altezza avremo bruciato
l’energia accumulata ?
L’energia che dobbiamo spendere per bruciare l’energia accumulata è pari al lavoro che
dobbiamo compiere contro la forza di gravità che è
lavoro= forza di gravità spostamento= massa accelerazione di gravità spostamento
Questa quantità deve essere uguale all’energia che vogliamo “consumare”. Dunque
lavoro da compiere=calore accumulato
ovvero
massa accelerazione di gravità spostamento= 600 cal= 600 4.186 Joule
Se la nostra massa è 60 kg otteniamo infine
spostamento=
600 4.186
m
60 9.8
4.2 m
Come posso produrre calore? Se ho freddo ed ho le mani gelate le riscaldo strofinandole
(produco energia meccanica), mttendole in tasca (il nostro corpo è una sorgente di
calore) o soffiandovi sopra. Posso mettere i guanti, sfruttando materiali (la lana o la
pelle) che rallentano la dispersione del calore.
Possiamo esser certi che, se viene fornito calore ad un corpo la sua temperatura
aumenterà, ma di quanto ? La risposta è legata al concetto di calore specifico. Come il
peso specifico, anche il calore specifico è una caratteristica peculiare di ogni sostanza ed
esprime la loro capacità di assorbire o cedere calore.
Possiamo realizzare un esperimento riscaldando separatamente un litro di acqua e un
litro di olio, misurando l’aumento della temperatura nel corso del tempo. Ci
accorgeremo del fatto che l’olio si riscalda più rapidamente dell’acqua. Questa
sistuazione esprime il fatto che l’olio ha un calore specifico inferiore a quello dell’acqua.
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Minore è il calore specifico, minore sarà dunque la quantità di calore necessaria ad
innalzare la temperatura di una certa sostanza.
Le osservazioni di base da svolgere a scuola riguarderanno allora i materiali di cui sono
fatti gli indumenti, i materiali con cui sono costruite le pentole ed i loro manici e cosi via.
2. CONDUTTORI ED ISOLANTI
Materiale occorrente:
Un asse di legno
Una sciarpa di lana
Un pezzo di marmo
Un pezzo di ferro
Un termometro
L’esperimento passo a passo:
Mettere tutti gli oggetti per almeno un’ora in un luogo chiuso (armadio, scatola, …) avendo
cura di formare un cumulo con gli stessi ponendoli uno sull’altro.
Ogni alunno disegna in un foglio a quadretti una tabella di due colonne: nella prima scrivere il
nome degli oggetti.
Uno per volta, gli alunni si recano a verificare la temperatura (molto freddo, freddo, tiepido,
caldo, molto caldo) degli oggetti servendosi del tatto e riportano l’osservazione nella seconda
colonna della tabella accanto al nome dell’oggetto. La temperatura può essere descritta
attraverso dei numeri attribuendo il valore 0 a molto freddo, 1 a freddo, 2 a tiepido, 3 a caldo, 4
a molto caldo.
Controllare sul termometro la temperatura dell’ambiente in cui sono stati posti gli oggetti.
Le osservazioni da fare:
Calcolare, a partire dai valori riportati nelle tabelle degli alunni, la media della temperatura degli
oggetti. Il risultato 2,5, per esempio, corrisponderà a ‘fra tiepido e caldo’ ovvero ‘un poco
caldo’. In alternativa si può verificare quali sono le temperature avvertire con maggior frequenza
chiedendo agli alunni di dire quello che hanno riportato nelle tabelle.
Chiedere agli alunni che cosa scalda gli oggetti caldi e cosa raffredda gli oggetti freddi.
Far notare che nell’armadio (o nella scatola) non ci sono dei fornelli o dei frigoriferi.
Le spiegazioni:
Tutti gli oggetti posti nell’armadio hanno la stessa temperatura. Infatti, essi potrebbero
assumere temperature diverse se vi fossero delle sorgenti di calore o delle macchine frigorifere.
Avendo posto gli oggetti uno sopra l’altro, un oggetto inizialmente caldo avrebbe ceduto calore
ad uno freddo fino a che la temperatura dei due oggetti fosse stata la stessa. Quindi, a maggior
ragione, gli oggetti devono essere tutti alla stessa temperatura ovvero a quella misurata dal
termometro. Avendo a disposizione molti termometri si potrebbe misurare la temperatura di
ogni oggetto lasciando il termometro in contatto con lo stesso durante l’esperimento. Tutti i
termometri misurerebbero la stessa temperatura!
La spiegazione di questo fenomeno risiede nel meccanismo della nostra percezione della
temperatura attraverso il tatto. In generale, gli oggetti ci appaiono caldi e freddi a causa di due
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effetti: la loro TEMPERATURA e la loro CONDUCIBILITA’ TERMICA. Se un oggetto ha
temperatura più calda di quella della nostra mano, un flusso di calore potrebbe passare
dall’oggetto a noi. Questo avviene rapidamente se l’oggetto è un buon conduttore di calore. Se
invece è un isolante, la differenza di temperatura non provoca la trasmissione del calore e noi
non avvertiamo la sensazione di caldo. Lo stesso vale, invertendo le considerazioni, sulla
sensazione di freddo. Il tatto è quindi sensibile ai flussi di calore e non alla temperatura.
Ogni oggetto avrà la stessa temperatura (minore di quella delle nostre mani) e quindi la
differenza di temperatura fra l’oggetto e le nostre mani rimane invariata. Con questo
esperimento, quindi, potremo verificare quali oggetti sono buoni conduttori di calore (marmo,
ferro) e quali isolanti (legno, lana): i conduttori permetteranno al calore della mano di fluire
verso gli oggetti (sensazione di freddo) mentre gli isolanti bloccheranno il calore della mano
facendoci avvertire una sensazione di caldo.
Energia dei gas
L’aria è composta da diversi gas elementari. I più abbondanti sono l’azoto (78%),
l’ossigeno (21%), il vapore acqueo, l’anidride carbonica ed altri gas (1%). Le proprietà di
un gas possono essere studiate dal punto di vista della teoia cinetica, ovvero del concetto
che un gas è formato da “particelle” (atomi e molecole) che sono in moto continuo ed
interagiscono debolmente l’una sull’altra (e solo quando si urtano) . Questa visione di un
gas spiega perché esso preme sulle pareti di un contenitore quando vi è racchiuso dentro:
la pressione esercitata sulle pareti è dovuta all’urto costante delle molecole.
Quando scaldiamo il nostro gas, cediamo energia termica alle molecole che reagiscono
trasformandola in energia cinetica: più scaldiamo, più aumenta la pressione del gas sulle
pareti del contenitore.
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L’ARIA CALDA PREME
Materiale occorrente:
1 pallocino
1 bottiglia di vetro
1 recipiente
acqua
L’esperimento passo a passo:
Fissare il palloncino sgonfio al collo della bottiglia
Versare acqua calda nel recipiente
Appoggiare la bottiglia all’interno del recipiente
Le osservazioni da fare:
dopo qualche minuto il palloncino comincerà a gonfiarsi
se successivamente mattiamo la bottigli sotto l’acua del rubinetto il palloncino si sgonfierà
Le spiegazioni:
Il calore ha due effetti sull’aria: la scalda e la mette in movimento
Per effetto del riscaldamento le molecole d’aria si allontanano l’una dall’altra aumentando la
pressione sulle pareti della bottiglia e del palloncino
Una variante di questo esperimento è quella di mettere acqua calda all’interno di una bottiglia di
plastica e, dopo qualche secondo, svuotarla e tapparla. La bottiglia si schiaccerà leggermente
perché la pressione dell’aria all’esterno è maggiore di quella contenuta dentro la bottiglia (parte
dell’aria è fuoriuscita dalla bottiglia prima di averla chiusa)
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4. ARIA CALDA ED ARIA FREDDA
Materiale occorrente:
Palloncino
Bottiglia di vetro trasparente
L’esperimento passo a passo:
Assicurarsi che il palloncino sia abbastanza
morbido e che l’aria lo possa gonfiare senza
sforzo (in caso contrario gonfiare più volte il
palloncino dopo averlo allungato con le mani)
++
Immettere un po’ d’aria dentro il palloncino
(non riempirlo) e, successivamente, chiudere
+
l’imboccatura della bottiglia con il palloncino
stesso
=
Porre la bottiglia in svariati luoghi a
temperatura diversa da quella in cui è stata
chiusa (sul davanzale al sole, nel frigorifero,
immersa in una bacinella di acqua fredda o di
-acqua calda, nel freezer, …) ed attendere
-=
+
++
qualche minuto
Disegnare su un foglio a quadretti una tabella con tre colonne. Nella prima colonna riportare il
luogo; nella seconda la temperatura con la seguente simbologia -- molto fredda, - fredda, =
ambiente, + calda, + + molto calda; nella terza la forma del palloncino con la seguente
simbologia: -- molto sgonfio, - sgonfio, = inalterato, + gonfio, ++ molto gonfio.
Le osservazioni da fare:
Il palloncino cambierà forma in dipendenza dalla temperatura del luogo in cui è posta la
bottiglia come se qualcuno soffiasse dentro o rimuovesse l’aria: ma nella bottiglia non c’è
nessuno!
Esiste una relazione fra la temperatura del luogo in cui è posta la bottiglia e la forma del
palloncino: il palloncino si gonfia di più nei luoghi più caldi e si sgonfia quando lo poniamo al
freddo.
Elaboriamo ora un grafico ponendo sull’asse delle ascisse (asse orizzontale) i simboli
corrispondenti alle temperature e sull’asse delle ordinate (asse verticale) la forma del palloncino.
Per ogni osservazione porremo un punto in corrispondenza della coppia di valori osservata.
Le spiegazioni:
L’aria, che è dentro la bottiglia ed il palloncino, reagisce alle variazioni di temperatura in modo
spettacolare: basta un piccolo aumento della temperatura per farla espandere e, viceversa, si
contrae appena la temperatura diminuisce. Il volume della bottiglia non varia e quindi il
palloncino si espanderà o si ritrarrà in corrispondenza alle dilatazioni dell’aria.
Anche gli oggetti di uso comune subiscono la stessa sorte ma in maniera così esigua che non ce
ne possiamo accorgere ad occhio nudo.
In particolare si potrà notare che esiste una relazione strettissima fra la temperatura e lo stato di
dilatazione del palloncino: più è elevata la temperatura che assume la bottiglia maggiore sarà il
diametro del palloncino. Questa osservazione si riflette sul grafico elaborato a partire dalle
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osservazioni. Su di esso, infatti i punti saranno allineati lungo una retta ascendente: più è grande
la temperatura, maggiore sarà la quantità d’aria che finisce nel palloncino.
Il fatto che esiste una relazione diretta fra temperatura e la dilatazione del palloncino ci
permette di dire che ABBIAMO COSTRUITO UN TERMOMETRO! Guardando la
dilatazione del palloncino potremo stabilire qual è la temperatura, anche a distanza.
5. SCIVOLO A VAPORE
Materiale occorrente:
Un bicchiere
Una tavola con la superficie levigata
acqua
L’esperimento passo a passo:
Scaldare il bicchiere (ad esempio riempiendolo per qualche minuto con acqua calda)
Far scivolare il bicchiere capovolto lungo la superficie
Le osservazioni da fare:
Quando il bicchiere è stato riscaldato scivola più rapidamente verso il basso..
Le spiegazioni:
L’aria contenuta all’interno del bicchiere, riscaldata dall’acqua, si espande e lo solleva
impercettibilmente
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6. IL MOTORE DEL VENTO
Materiale occorrente:
Una candela
Fiammiferi
Un termometro
L’esperimento passo a passo:
Misurare la temperatura dell’aria dell’aula (lasciare il termometro fermo per almeno 10 minuti).
Misurare la temperatura dell’aria fuori dalla finestra (Attenzione: scegliere una finestra non
esposta al sole, i raggi solari potrebbero riscaldare il termometro falsando la misura).
Accendere la candela e chiudere tutte le porte e le finestre.
Aprire per un centimetro la finestra dove si è effettuata la misura, attendere un minuto ed
avvicinare la candela all’apertura ponendola prima in basso e successivamente in alto.
Le osservazioni da fare:
Osservare la direzione della fiamma nelle due posizioni.
Annotare la differenza di temperatura fra l’interno e l’esterno. Annotare, inoltre, quali sono le
direzioni in cui si piega la fiamma quando la candela è posta nella parte alta e bassa dell’apertura.
Le spiegazioni:
La fiamma della candela può essere piegata da una debole corrente d’aria (possiamo fare la
prova soffiandoci sopra!).
L’aria calda tende a salire e se nella stanza l’aria è più calda, essa tenderà ad uscire dalla parte
superiore dell’apertura. Contemporaneamente, dall’esterno dell’aria fredda entrerà nella stanza
dalla parte bassa dell’apertura. La candela, in questo caso, ci indicherà le direzioni del moto
dell’aria piegandosi verso l’esterno quando è posta in alto e verso l’interno quando è posta in
basso. Se l’aria della stanza è più fredda di quella esterna, il tutto si ribalta.
I venti nascono per motivi simili, infatti, essi sono i moti dell’aria provocati dalle differenze di
temperature fra zone della superficie terrestre.
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7. CANNONE A VAPORE
Materiale occorrente:
Tubetto per medicinali (in metallo)
Tappi di sughero
Fil di ferro
Una candela
L’esperimento passo a passo:
Avvolgere il tubetto con il fil di ferro ed
appenderlo.
Bagnare il tappo di sughero con acqua e chiudere
l’apertura del tubetto
Accendere la candela e sistemarla dall’altra parte del tubetto
Le osservazioni da fare:
In questa situazione, attendendo qualche minuto, il tappo verrà “sparato” via come un proiettile
Le spiegazioni:
L’energia termica fornita dalla combustione è impiegata per vincere le forze di attrazione ed
aumentare l’energia di movimento delle molecole dell’acqua contenuta nel tubetto. Queste,
formatosi il vapore, riempiono tutto il volume disponibile all’interno del tubetto esercitando
una pressione sempre maggiore sulle pareti del contenitore.
Nelle macchine a vapore il tappo è uno stantuffo che va su e giù, trasformando l’energia
cinetica delle molecole d’acqua in energia di movimento rotatorio
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Trasformazioni dell’energia
Quante e quali forme o trasformazione di energia è possibile riconoscere? Qui ne
forniamo qualche esempio.
1. Energia solare ? energia chimica. Il sole è la fonte di quasi tutta l’energia di cui
disponiamo sulla terra. La sua superficie è estremamenta calda (6000 °C) e la
radiazione emessa dal sole si propaga a grande velocità. La parte di essa che
raggiunge la terra, la riscalda e la illumina. L’energia solare viene intrappolata nelle
sostanze organiche che generano nuove molecole attraverso reazioni chimiche.
2. Energia cinetica ? energia termica. E’ il tipo di trasformazione più comune. Si
ottiene per attrito tra due oggetti in contatto (quando ad esempio sfreghiamo le
mani). Anche una palla che rotola sul terreno gradualmente perde velocità ed alla
fine si arresta a causa del debole attrito col suolo. La sua energia cinetica si è
dissipata in calore che è difficile da misurare poiché è una piccola quantità che si
distribuisce sul suolo, sulla palla e nell’aria.
3. Energia termica ?
energia cinetica. Le macchine a vapore o le centrali
termoelettriche dove gas caldi esercitano una certa pressione sulle turbine della
centrale.
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