a1 la materia e le sue proprietà
videolab 2
fusione ed evaporazione
dell’acqua
durata:
1 ora
difficoltà:
media
parole chiave: calore, temperatura, passaggio
di stato, stati di aggregazione,
energia di agitazione termica
scopo del videolaboratorio
Questo videolaboratorio intende studiare la
relazione esistente tra calore e temperatura osservando i passaggi di stato dell’acqua e studiando
come varia la temperatura durante tali passaggi.
prerequisiti
I concetti di corpo solido, liquido, gassoso; temperatura di un corpo.
materiali necessari
temperatura supera i 100 ºC. Il passaggio di stato
da solido a liquido è detto fusione, quello inverso,
da liquido a solido, solidificazione. Il passaggio da
liquido a gas è detto evaporazione e il passaggio
inverso condensazione.
Allo stato solido le molecole che costituiscono
una sostanza sono molto compattate e il loro
movimento, simile a una vibrazione, è limitato
perché le forze di mutua interazione sono intense.
Allo stato liquido le molecole acquistano maggior
libertà di movimento, pur continuando a essere
strettamente legate tra loro. Allo stato gassoso
ogni molecola ha sciolto i legami con le altre e si
muove liberamente. Secondo la meccanica statistica l’energia interna di un corpo – o energia di
agitazione termica – è la somma delle energie cinetiche medie di ogni singola molecola e aumenta
all’aumentare della temperatura. Fornendo calore
a un corpo l’effetto è quello di aumentare la velocità delle molecole e quindi la temperatura. Durante
un passaggio di stato, però, l’energia fornita al
corpo non aumenta la velocità delle molecole, ma
spezza i legami intermolecolari diminuendo l’entità delle forze di mutua interazione: per questo la
temperatura si mantiene costante.
Una bacinella in pirex contenente acqua e
ghiaccio, un termometro, un cucchiaio, una piastra elettrica.
concetti fondamentali
In natura ogni sostanza può trovarsi nella fase
solida, liquida o gassosa: sono i tre diversi stati di
aggregazione della materia. Il fatto che una data
sostanza si trovi in un certo stato dipende dalla
temperatura. L’acqua a temperatura ambiente è
allo stato liquido, ma in un intervallo di temperatura relativamente piccolo la possiamo osservare
tanto allo stato solido, sotto forma di ghiaccio, se
la temperatura è inferiore a 0 ºC, quanto allo stato
aeriforme, sotto forma di vapore acqueo, se la
analisi dei dati e dei grafici
Alla seconda visione, si può bloccare il filmato
in corrispondenza del grafico temperatura-tempo,
per chiedere alla classe di spiegare come varia la
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Il progetto dIdattIco
Insegnare scienze con la didattica digitale
guIda per l’Insegnante
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Il progetto dIdattIco
temperatura durante i passaggi di stato e perché
manifesta tale comportamento.
La temperatura della miscela di acqua e ghiaccio è pari a 0 ºC e tale rimane fino a che tutto il
ghiaccio non si è sciolto. Analogamente la temperatura della miscela di acqua e vapore acqueo
è pari a 100 ºC e resta costante finché l’ultima
molecola d’acqua evapora. Il conduttore fornisce
la spiegazione immediatamente dopo: il calore
fornito alla miscela è una forma di energia che
nei primi e negli ultimi minuti dell’esperimento
provoca un cambiamento di stato riducendo le
forze di coesione tra molecole, mentre nel periodo
intermedio fa aumentare la velocità media delle
molecole d’acqua e quindi la loro temperatura.
commenti
Il conduttore, per accelerare i tempi di fusione
del ghiaccio, pone la bacinella su una piastra elettrica in grado di fornire calore alla miscela. Si può
rivolgere alla classe la seguente domanda: “se non
lo avesse fatto, da quale altra sorgente il ghiaccio
avrebbe assorbito il calore necessario al suo scioglimento?” La risposta è che il ghiaccio preleva
calore dalle molecole d’aria. Queste si trovano
a temperatura ambiente; poiché la differenza di
temperatura tra aria e ghiaccio è minore rispetto
a quella tra superficie della piastra e ghiaccio, il
flusso di calore dal corpo caldo al corpo freddo nel
primo caso è minore e di conseguenza maggiore
è il tempo necessario perché avvenga il passaggio
di stato.
Inoltre si può chiedere alla classe se evaporazione ed ebollizione possono essere considerati sinonimi.
In realtà esiste una sottile differenza. L’evaporazione è il passaggio di stato da liquido a gas che
riguarda solo le molecole che si trovano in prossimità dello strato superficiale del liquido: a qualunque temperatura una piccola parte di molecole,
quelle dotate di energia cinetica molto maggiore
rispetto alla media, riesce a sfuggire alla fase
liquida evaporando. Statisticamente il numero di
molecole che evaporano è equilibrato da altrettante molecole che rientrano dalla fase gassosa a
quella liquida condensando. Tali molecole, urtando contro il pelo libero dal liquido, esercitano su di
esso una pressione detta tensione di vapore.
L’ebollizione, invece, è il fenomeno di passaggio
da fase liquida a fase aeriforme che coinvolge tutta
la massa liquida. Inizia a realizzarsi solo quando
la temperatura raggiunta del liquido è tale che la
sua tensione di vapore uguaglia o supera il valore
della pressione esterna gravante sul liquido, che
normalmente è la pressione atmosferica.
La pressione atmosferica è massima a livello del
mare e diminuisce salendo in quota, per questo in
montagna l’acqua bolle a temperatura minore di
100 ºC.
potenziamento delle competenze
scientifiche
Può essere utile chiedere alla classe che tipo di
grafico ci aspettiamo di ricavare se aumentiamo
la quantità iniziale di ghiaccio, per esempio raddoppiandola.
