ADENER3 - Progetto LES

Laboratorio per l’Educazione alla Scienza
Percorso didattico su Energia
Attività didattica ADENER3
Macchine, rendimento e trasformazioni energetiche
DATA: .....................................................................
SCUOLA: ..................................................................
CLASSE: ...................................................................
DOCENTE: ................................................................
COGNOME e NOME: .................................................
GRUPPO N°: ...............................................................
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Città della Scienza
In questa attività svolgeremo esperimenti che ci permetteranno di lavorare e discutere su come
trasformare energia da una forma all’altra e sui vincoli che caratterizzano tali trasformazioni.
Partiremo dalle considerazioni scaturite dalle due precedenti attività: nella prima abbiamo lavorato
in modo qualitativo su diverse forme di energia, nella seconda abbiamo trattato in modo
quantitativo l’energia meccanica) per introdurre nuovi concetti che permetteranno di caratterizzare
processi diversi (elettrici, meccanici, termici) come equivalenti (perché in grado di far variare nello
stesso modo l’energia interna di un sistema) imparando poi a distinguere tra processi reversibili e
processi irreversibili.
1. IL PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA.
1.1) Esperimento - Riscaldamento dei pallini di piombo.
Hai a disposizione un tubo di plastica lungo e sottile nel quale sono stati versati un certo numero di
pallini di piombo; misurane la temperatura.
T = ………..° C
a) Esperimento - Capovolgi rapidamente il tubo; in tal modo i pallini si sposteranno da un estremo
all'altro del tubo.
Descrivi le trasformazioni d'energia durante questa operazione.
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Capovolgi il tubo almeno 50 volte ed alla fine misura nuovamente la temperatura dei pallini.
T = …………..° C
b) Confronta i due valori di temperatura e commenta l'esperimento.
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1.2) Esperimento - Equivalente meccanico della caloria.
a) Misura con una bilancia da cucina la massa della coppa del frullatore
mcoppa = ………..kg
b) Riempi fino all'orlo la coppa del frullatore con acqua e misura la massa della coppa piena
d'acqua.
mcoppa + acqua = ………..kg
c) Ricava la massa dell'acqua
macqua = ………….kg
d) Misura la temperatura dell'acqua nella coppa con un termometro digitale con sonda lunga
Ti = ………°C
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e) Aziona il frullatore per un tempo t = …… s.
Misura la temperatura dell'acqua
Tf = ……….°C
f) Compila la tabella che segue con i risultati degli esperimenti (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)
g) Che relazione esiste fra Q ed L?
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.......................................................................................................................………………………….
…. .......................................................................................................................……………………...
h) Fai la media dei valori riportati nell’ultima colonna della tabella precedente. Il valore ottenuto
rappresenta una stima dell’equivalente meccanico della caloria.
L
 ............. (J/cal)
Q
2. IL MULINELLO.
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Città della Scienza
2.1) Esperimento - L'apparato sperimentale in figura è costituito da un cilindro di rame ripieno
d'acqua: intorno al cilindro abbiamo avvolto per cinque giri una corda alla quale è attaccato un
corpo. Girando la manovella con regolarità mettiamo in rotazione il cilindro in modo che la forza di
attrito tra la corda ed il cilindro mantenga sollevato il corpo, equilibrando la forza peso.
Nel cilindro è inserito un termometro che permette di misurare la temperatura del sistema.
a) Per svolgere l'esperimento ti occorrono le caratteristiche del sistema; effettua le misure e
compila la seguente tabella.
Massa del cilindro di rame
Massa di acqua contenuta nel cilindro
Massa del corpo attaccato alla corda
Diametro del cilindro
Temperatura iniziale del sistema
mrame =
macqua =
mcorpo =
d=
Ti =
b) Gira la manovella con regolarità e metti in rotazione il cilindro. Conta il numero di giri
n = ………….
Leggi sul termometro il valore della temperatura finale Tf del sistema
Tf = ……….°C
c) Sapendo che lo spostamento h del corpo è pari a 2rn, con n numero di giri ed r raggio del
cilindro, calcola il lavoro L compiuto sul sistema dalla forza d'attrito.
L = ……… J
Il salto di temperatura del sistema è pari a
T = ………… °C
d) Quanto calore Q sarebbe necessario fornire al sistema per fargli compiere lo stesso salto di
temperatura? Mostra i tuoi calcoli ( il calore specifico del rame è pari a 0,093 cal/(g °C), ed il calore
specifico dell'acqua è pari a 1 cal/(g °C) ).
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.......................................................................................................................………………………….
…. .......................................................................................................................……………………...
Q = ……….cal
e) Fai il rapporto tra il valore di L ed il valore di Q
L
 ............. (J/cal)
Q
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DISCUSSIONE (APPUNTI)
a) I principio della Termodinamica
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.…....................................................................................................................………………………...
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…....................................................................................................................…………………………
b) Quali sono i modi in cui è possibile variare l'energia interna di un sistema?
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.......................................................................................................................………………………….
…. .......................................................................................................................……………………...
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.......................................................................................................................………………………….
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…. .......................................................................................................................……………………...
c) 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.
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…. .......................................................................................................................……………………...
.......................................................................................................................………………………….
.......................................................................................................................………………………….
…. .......................................................................................................................……………………...
3. REVERSIBILITÀ E IRREVERSIBILITÀ.
3.1) Cosa è per te un fenomeno irreversibile? Fai alcuni esempi di fenomeni irreversibili.
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3.2) Che cosa è per te un fenomeno reversibile? Che caratteristiche può avere un mondo nel quale si
verificano solo fenomeni reversibili?
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3.3) Una palla che rimbalza sul pavimento raggiunge la stessa altezza ad ogni rimbalzo solo se l'urto
con il pavimento è perfettamente elastico: guardando il film della palla che rimbalza, sei in grado di
stabilire se il film sta girando in "avanti" o "indietro"? Perché?
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Cosa succede se invece l’urto è anelastico
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3.4) Commenta l'affermazione: " L'energia si degrada".
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3.5) Quale definizione daresti di macchina? E quale di macchina termica?
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3.6) Quali, tra le "macchine" sotto elencate, sono macchine termiche secondo la tua definizione?
 lavatrice
 caffettiera
 frigorifero
 pentola a pressione
 scaldabagno
 condizionatore d'aria
Perché
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4. SOLLEVAMENTO DI UN OGGETTO CON UN MOTORINO - RENDIMENTO.
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4.1) Esperimento - Misura la massa del pesetto a tua disposizione
m = (……  …..) g
a) Sospendi, con il filo, il pesetto al sostegno e misura, con l'asta metrica, l'altezza h
h = (…….  ….) m
b) Calcola il lavoro meccanico necessario per sollevare di una altezza h il pesetto.
L = …………… joule
c) Solleva di una altezza h il pesetto con il motorino che hai a disposizione. Alimenta il motorino e
contemporaneamente fai partire il cronometro.
Leggi sullo strumento universale il valore V della tensione ai capi del motorino e la corrente I che
circola nel motorino.
V = (…….  ….) volt
I = (……..  ….) ampere
d) Spegni il cronometro quando il pesetto è stato sollevato dell'altezza h.
t = (……  ….) s
Calcola il lavoro elettrico fatto dal motorino
L = …………… joule
e) Il rendimento  del motorino è definito dal rapporto tra energia utile Eu fornita dal motorino ed
energia spesa Es per azionare il motorino: calcolane il suo valore
=
Eu
=
Es
f) In base al valore che hai ottenuto, che tipo di considerazione puoi fare sul rendimento del
motorino?
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4.2) Il rendimento del motorino varia al variare della massa del pesetto. Progetta un esperimento per
valutare tale ipotesi. Raccogli i dati rendimento-massa in una tabella, costruisci il grafico relativo e
commenta.
a) Descrizione dell’esperimento
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b) Tabella
c) Grafico.
d) Commento sul risultato ottenuto.
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DISCUSSIONE (APPUNTI)
a) Nella prima parte dell'attività sono stati introdotti alcuni concetti. Riportali sotto forma di
appunti.
Macchina
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Macchina termica
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Rendimento
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b) In generale il rendimento delle macchine è massimo per alcuni valori di una delle grandezze
caratteristiche “in uscita”, ad esempio la velocità. Cosa puoi dire del rendimento di un’automobile?
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c) L'energia assorbita da una macchina si ritrova in parte come lavoro utile per il compito che deve
svolgere la macchina, la rimanente provoca effetti collaterali. Riempi la seguente tabella.
Macchina
Compito
Stufa
Auto
Centrale elettrica
riscaldamento
trasporto
produzione elettricità
Effetti collaterali
5. CONVERTITORE TERMOELETTRICO.
5.1) Esperimento - Poni una gamba del convertitore in un thermos contenente acqua ghiacciata e
l'altra in un thermos contenente acqua bollente: la ventola del convertitore comincia a ruotare. Se
poi poni entrambe le gambe del convertitore in uno solo dei due thermos la ventola smette di girare.
La ventola ruota perché attaccata all’albero del motore elettrico.
a) Cosa mette in rotazione l’albero del motore? Cosa deve accadere perché ci sia rotazione?
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b) Spiega perché il convertitore termoelettrico è una macchina termica.
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5.2) Rendimento del motorino; energia dissipata dal convertitore termoelettrico.
a) Esperimento - Collega il motorino elettrico che hai usato nell'esperimento 4) al convertitore: il
motorino si metterà in moto con l'energia elettrica prodotta dal convertitore stesso.
Le due facce del convertitore sono immerse in due thermos contenenti acqua a temperatura
differente: misura i valori di queste temperature
T1 = …………..°C
T2 = …………..°C
b) Registra, con il cronometro, il tempo che impiega il motorino a sollevare di una altezza h = 0.5
m un pesetto di massa m = 0.006 kg
t = ………s
c) Diminuisci la differenza tra T1 e T2 (ad esempio aumentandone o diminuendone una di esse) e
misura i nuovi valori di T1 e T2
T1' = …………..°C
T2' = …………..°C
d) Registra, con il cronometro, il tempo che impiega il motorino a sollevare di una altezza h = 0,5
m un pesetto di massa m = 6 g
t '= ………s
e) Commenta l'esperimento.
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f) Calcola il rendimento  del motorino elettrico facendo il rapporto tra l'energia utile Eu ed
energia spesa Es.
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Per calcolare l'energia spesa Es, stacca il motorino dal convertitore, collegalo ad un alimentatore in
tensione continua e leggi, dallo strumento universale, il valore della tensione V ed il valore della
corrente I per i quali il motorino impiega il tempo t = ……s a sollevare il pesetto.
V = (…………..) volt
I = (……… ……) ampere
t = …… s
Es = ……….. joule
=
Eu
=
Es
6. IL SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA.
6.1) Il lavoro dell'ingegnere francese Sadi Carnot sul rendimento delle macchine termiche contiene
già uno dei possibili enunciati del secondo principio. Prova ad enunciare il secondo principio in
base a questa informazione.
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6.2) Scrivi l'enunciato di Lord Kelvin
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6.3) Scrivi l'enunciato di Clausius
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7. IL VERSO DEI FENOMENI.
7.1) Esperimento - Lancia il carrellino a tua disposizione contro la parete; osserva come rimbalza ed
osserva il tratto che percorre dopo il rimbalzo.
a) Trascrivi le tue osservazioni. In quali condizioni il carrello torna esattamente al punto di
partenza?
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b) Sistema sul carrellino la rete di bulloni ed elastici di cui disponi e lancia il carrellino contro la
parete; osserva come rimbalza ed osserva il tratto che percorre dopo il rimbalzo. Trascrivi le tue
osservazioni e confrontale con le osservazioni del punto 7.1).
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7.2) Studia lo stesso fenomeno di urto con il sonar collegato al computer e commenta i grafici
cinematici che ottieni nei due casi.
a) Grafici della velocità nei due casi.
b) Commento.
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COMMENTI E RIFLESSIONI SULL'ATTIVITÀ' SVOLTA
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