WP3
Designing a Low Energy Home: heating and
European Science and Technology in Action Building
Links with Industry, Schools and Home
Work Package 3
PROGETTIAMO UNA CASA A
BASSO CONSUMO ENERGETICO
Lead partner for deliverable:
UNIPA
Version: 1.1 - ITA
The ESTABLISH project has received funding form the European Community’s
o
Seventh Programme [FP7/2007-2013] under grant agreement n 244749
Start Date: 1st January 2010
Duration: 48 months
SOTTO_UNITA’_1: analisi di un “modello di casa”
VI_1 Percorsi di apprendimento
Questa sotto-unità introduce a concetti di base come la rapidità di
raffreddamento/riscaldamento, la conservazione dell’energia, la conduzione, la convezione
e l’irraggiamento e a concetti di tipo più tecnico, come l’isolamento termico e il
riscaldamento e il raffreddamento passivi. Vengono anche richiamati concetti fisici che
dovrebbero essere già nel bagaglio culturale dei discenti, come quelli di calore,
temperatura ed equilibrio termico, e si prendono in considerazione le concezioni
spontanee più diffuse sui suddetti argomenti, al livello scolare indicato.
Alla fine di questa sotto-unità, gli studenti dovrebbero poter comprendere i principi base di
processi fisici come il trasferimento di energia termica tra una casa e l’ambiente in
condizioni climatiche diverse.
Gli studenti vengono coinvolti nella costruzione di un modello in scala di casa usando un
kit fornito dal docente. Durante lo svolgimento dell’unità, essi impareranno a usare sensori
di temperatura per misurare la perdita o il guadagno di energia termica e valutare
l’isolamento termico delle “case” costruite. Gli studenti, inoltre, esploreranno i diversi fattori
che possono influenzare il riscaldamento e il raffreddamento usando gli strumenti forniti
dal docente e altri materiali di uso comune, come lampadine, usate per riscaldare l’interno
delle “case”, ventilatori, usati per rappresentare gli effetti del vento sul raffreddamento dei
corpi e grosse lampade, usate per rappresentare il riscaldamento solare.
La sotto-unità è divisa in tre attività di apprendimento per gli studenti:
a. Attività 1_1, finalizzata alla costruzione di differenti tipi di modello di casa e
alla valutazione delle difficoltà principali che si incontrano per mantenerle
calde;
b. Attività 1_2, destinata all’analisi della distribuzione della temperature
all’interno dei modelli di casa;
c. Attività 1_3, finalizzata allo studio degli effetti di riscaldamento sui modelli di
casa.
La tabella seguente riassume le tre attività dal punto di vista del tipo di attività Inquiry e
delle “5 E” del Ciclo di Apprendimento.
Attività Cosa fa lo studente
Tipo di Inquiry
1_1
Discussione e sperimentazione su Dimostrazione interattiva.
come mantenere calda un
Indagine guidata
modello di casa
1_2
Studio della distribuzione della
temperature dentro il modello di
casa
E-emphasis
Engage
Explore
Indagine guidata. Indagine Engage
mirata
Explore
Explain
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ESTABLISH
1_3
Proposta e realizzazione di
esperimenti per rappresentare gli
effetti dell’irraggiamento solare
sulla temperature del modello di
casa
Indagine guidata. Indagine Engage
mirata. E’ possibile anche Explore
effettuare attività di
Extend
Indagine aperta
VII_1 Valutazione
IN PREPARAZIONE
VIII_1
Attività di apprendimento per gli studenti
Attività 1_1: mantenere calda la “casa”
Il problema:
In inverno è necessario disporre di energia per mantenere calda la nostra casa. Usando
modelli di casa ben progettati, è possibile analizzare quanta energia è necessaria per
mantenere i vari modelli più caldi di 15 °C rispett o all’aria circostante.
Obiettivi di apprendimento:
•
•
•
Progettare un esperimento atto a misurare il riscaldamento e il raffreddamento di
diversi modelli di casa, usando procedure uguali;
Identificare i differenti fattori che possono influenzare la dispersione termica e
controllarli nella progettazione;
Misurare quanta energia è necessaria per riscaldare ciascun modello di casa di 15 °C
rispetto all’ambiente.
Materiali:
•
•
•
Scatole di materiali differenti e identiche dimensioni, che rappresentano case costruite
in modi differenti.
Sensori di temperatura di superficie da applicare alle “pareti” dei modelli di casa.
Riscaldatori (lampadine ricoperte da fogli di alluminio)
Note per l’uso:
Surface
temperature
sensor
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ESTABLISH
Figura 1_1a)
Figura 1_1b)
A gruppi differenti di studenti vengono forniti modelli di casa dalle medesime dimensioni
ma costruiti con materiali diversi. Il riscaldatore (la lampadina) e i sensori di temperatura
sono posti come indicato in n Fig 1:1b).
Il problema principale è la verifica di quanto rapidamente il modello di casa si riscalda
quando una lampadina, di potenza data, è accesa e quanto rapidamente esso si raffredda
quando la lampadina viene spenta.
Agli studenti viene chiesto di:
accendere il riscaldatore e registrare la temperatura finché essa raggiunge un
valore superiore di circa 15°C rispetto a quella am biente;
spegnere il riscaldatore in modo che la temperatura interna diminuisca fino a quella
ambiente;
registrare gli intervalli di tempo necessari per i processi di riscaldamento e di
raffreddamento di cui ai punti precedenti;
studiare i cicli di accensione/spegnimento necessari per mantenere la “casa” a 15
°C più della temperature ambiente.
Ciascun gruppo discuterà con l’intera classe i propri risultati, in modo da mettere in
evidenza quale materiale è più adatto per risparmiare energia.
Le seguenti immagini mostrano alcuni esempi di grafici temperatura-tempo in case di tipo
diverso e in differenti condizioni di riscaldamento.
1. Cicli di riscaldamento/raffreddamento di un modello di casa in legno riscaldato da
una lampadina da 15 W (linea blu) e da 25 W (linea rossa):
2. Cicli di riscaldamento/raffreddamento di un modello di casa in cartongesso rispetto
a quello di un modello in polistirolo, con lampadine da 25W come riscaldatori.
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ESTABLISH
NOTA PER L’INSEGNANTE
In questa attività l’insegnante può introdurre gli studenti ai diversi tipi di termometro. Si
inizia dal familiare termometro a mercurio e si procede a spiegare l’uso che oggi si fa dei
termometri a semiconduttore, ormai così diffusi nelle apparecchiature di uso comune, e dei
termometri a raggi infrarossi, molto usati per la misura della temperatura di oggetti lontani,
senza che sia necessario un contatto “fisico” con essi.
L’insegnante presenta, quindi, i sensori di temperatura collegati ai sistemi di acquisizione
dati al computer e, in particolare, quelli di temperatura superficiale, che verranno usati in
questa e nelle attività seguenti. Come ultimo passo, è possibile mostrare agli studenti
fotografie di termogrammi, per introdurli all’analisi termica del colore dei corpi, che verrà
approfondita nella Sotto-Unità 4.
Possibili domande:
Come pensi possa essere possibile ridurre la potenza necessaria a mantenere calda la
casa? Cosa cambieresti nel modello di casa per rendere minimo il dispendio di energia.
Spiega il perché della tua risposta.
Attività 1_2: qual è la distribuzione di energia all’interno del modello di
casa ?
Il problema:
E’ facile osservare che, dentro una casa riscaldata, posti diversi non sono sempre alla
stessa temperatura. Come possiamo trovare le zone della casa che si trovano a
temperatura maggiore?
Obiettivi di apprendimento:
Lo scopo principale di questa attività è la comprensione del fatto che in un ambiente
chiuso vi sono variazioni di temperatura dovute alla distanza rispetto all’elemento
riscaldante e all’altezza rispetto il suolo.
Materiali:
I materiali sono gli stessi dell’Attività 1_1 , ma per ciascun gruppo di studenti saranno ora
necessari due sensori di temperature di superficie.
Note per l’uso:
Gli studenti devono analizzare le diverse temperature all’interno del modello di casa. Una
discussione preliminare li guiderà nell’identificazione dei fattori che possono influenzare la
temperatura in una data posizione. La distanza dal riscaldatore e l’altezza rispetto al suolo
possono essere considerati dei fattori rilevanti.
Agli studenti viene chiesto di pensare ad un esperimento appropriato per il controllo dei
fattori che possono influenzare la distribuzione di temperature nel modello di casa.
o
Due sensori posti alla stessa distanza dal riscaldatore e a differenti altezze
rispetto al suolo
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ESTABLISH
o
Due sensori posti alla stessa distanza dal riscaldatore e alla stessa altezza
rispetto al suolo
Possibili domande:
Cosa puoi dire sull’efficienza di un riscaldatore montato nella parte superiore della
parete di una stanza
Puoi pensare ad un meccanismo che spieghi perché l’aria calda sale?
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ESTABLISH
Attività 1_3: qual è l’effetto dell’irraggiamento solare sulla temperatura
del modello di casa?
Il problema:
I corpi vengono riscaldati dall’energia trasmessa dal Sole. Ciò può avvenire anche per le
pareti del nostro modello di casa. In che modo i materiali con cui i modelli sono costruiti
influenzano la temperatura interna della casa?
Obiettivi di apprendimento:
Lo scopo principale di questa attività è l’analisi degli effetti di irraggiamento sulla
temperature interna dei modelli di casa. In particolare:
Mettere in evidenza l’effetto del colore delle pareti sull’assorbimento di radiazione;
Rendere chiaro che la temperatura del modello di casa è influenzata
dall’assorbimento di energia e dal processo di conduzione termica del materiale di
cui il muro è fatto.;
Fare previsioni sulla base dell’esperienza di vita comune;
Giustificare i risultati sulla base dei risultati di misura.
Materiali:
•
•
•
Scatole di materiali differenti e identiche dimensioni, che rappresentano case costruite
in modi differenti (vedere Attività 1_1).
Sensori di temperatura di superficie, da applicare nella parete opposta a quella dove è
posto il riscaldatore
Una lampada che simula il Sole.
Note per l’uso:
Per studiare l’effetto dell’irraggiamento solare, usiamo una lampadina molto potente (200
W) per simulare il “Sole”.
Agli studenti è chiesto di verificare l’effetto del Sole usando un sensore di temperatura
posto sulla parete del modello di casa opposta a quella illuminata dalla lampadina.
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ESTABLISH
Un ulteriore esperimento può essere effettuato usando entrambi i riscaldatori (interno ed
esterno), per esempio accendendo e spegnendo quello interno e lasciando sempre
acceso quello esterno.
o
Due “case” diverse (legno e carbongesso) riscaldate da un “Sole” identico.
Due modelli con muri fatti di diverso
material sono riscaldati con la stessa
lampada. La figura mostra le due curve
di riscaldamento e raffreddamento.
o
Due muri esterni dello stesso modello verniciati di colore diverso
L’esperimento è svolto verniciando una
volta di nero e un’altra di bianco due dei
muri esterni del modello e illuminando
ognuno dei due muri con la stessa
lampada, posta alla medesima distanza.
La figura mostra le due curve di
riscaldamento e di raffreddamento.
A. Materiali di classe
Scheda di lavoro “Schede di lavoro-subunit_1”
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ESTABLISH
SOTTO-UNITA’_2: Conduzione
VI_2.
Percorsi di apprendimento
Questa sotto-unità prende in considerazione il trasferimento di energia termica tra due
estremi di un materiale che si trovano a temperature differenti. La conduzione caratterizza
il flusso di energia termica attraverso la materia, a differenza del processo di convezione,
che implica anche un trasferimento di materia. La conduzione avviene in solidi, liquidi e
gas, ma è caratteristica dei passaggi di energia termica nei solidi, mentre nei liquidi e nei
gas il processo principale di “trasmissione del calore” è la convezione.
OBIETTIVI DELLA SOTTO_UNITA’:
•
essere consci del fatto che la natura del materiale influenza il trasferimento di
energia termica tra due sistemi;
•
classificare i materiali secondo la loro conducibilità termica;
•
usare le evidenze sperimentali per prendere decisioni in relazione a problemi di tipo
quotidiano;
•
lavorare in gruppo per progettare e sviluppare una analisi sperimentale;
•
riflettere sulle finalità e sulla natura delle attività sperimentali che sono state
sviluppate nella sotto-unità;
La sotto-unità è divisa in due attività di apprendimento per gli studenti:
La tabella seguente riassume le tre attività dal punto di vista del tipo di attività Inquiry e
delle “5 E” del Ciclo di Apprendimento.
Attività Cosa fa lo studente
Osservazione di cubetti di
2_1
ghiaccio che fondono su piastre di
materiale diverso
2_2
VII_2.
Misura delle proprietà di
isolamento termico di materiali
diversi
Tipo di Inquiry
E-emphasis
Dimostrazione interattiva.
Indagine guidata
Engage
Explore
Indagine guidata .
Indagine mirata. E’
possibile prevedere anche
attività di Indagine aperta
Engage
Explore
Extend
Valutazione
In progress
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ESTABLISH
VIII_2.
Attività di apprendimento per gli studenti
Attività 2_1: osserviamo il ghiaccio che fonde su piastre di material
diverso
Il problema:
L’Attività 1_1 ha messo in evidenza che modelli di casa costruiti con materiali diversi si
riscaldano e si raffreddano in modo diverso. Inoltre, se si toccano materiali diversi, tutti in
equilibrio con uno stesso ambiente si ha la netta sensazione che questi abbiano
temperature differenti, in quanto al tatto essi evidenziano sensazioni diverse di caldo e di
freddo. Tutti questi fattori mettono in evidenza il diverso comportamento dei materiali in
presenza di una differenza di temperatura tra due loro estremi e possono essere il punto di
partenza delle attività di scoperta volte ad analizzare queste situazioni.
Per prima cosa, andiamo a studiare i tempi necessari a dei cubetti di ghiaccio identici,
inizialmente alla stessa temperatura, per fondere quando sono posti su piastre di diverso
materiale.
Obiettivi di apprendimento
•
•
•
Comprendere che la natura del materiale influenza il trasferimento di energia termica
tra corpi a temperature diverse.
Classificare i materiali in base alla loro capacità di condurre il calore.
Identificare le variabili che influenzano la conduzione termica.
Materiali:
•
•
Piastre di dimensioni (superficie e spessore) diverse e di diverso materiale.
Cubetti di giaccio identici e alla stessa temperatura iniziale (presi dalla stessa cella
frigorifera).
Suggerimenti per l’uso:
L’insegnante può mostrare l’apparato (vedere fig. 2_1a) e stimolare gli studenti a fare
previsioni sui tempi di fusione
NOTA. Potrebbe essere utile, a questo punto, discutere delle sensazioni di freddo e di caldo che si hanno
toccando con il palmo della mano le varie piastre (prima di mettervi sopra i cubetti di ghiaccio) e anche di
discutere con gli studenti delle temperature corporee e della loro misura. Il concetto di equilibrio termico
potrebbe anche essere qui proficuamente introdotto e/o discusso.
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ESTABLISH
Figura2_1a)
Figura2_1b)
Dopo l’osservazione, la classe discuterà i risultati, confrontandoli con le loro previsioni e
facendo ipotesi sul ruolo delle diverse variabili fisiche che possono aver influenzato i
diversi tempi di fusione che sono stati misurati.
L’insegnante introdurrà il concetto di conduzione termica, discutendo con gli studenti come
analizzare le differenti variabili che hanno influenzato i risultati (vedere fig. 2_1b).
Possibili domande:
Domande che si riferiscono a materiali comunemente usati nella vita di tutti i giorni e che
permettono di aprire una discussione sull’isolamento termico e sugli scambi termici tra
ambienti a temperatura diversa.
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ESTABLISH
Attività 2_2: Misura delle proprietà di isolamento di materiali diversi.
Il problema:
Scegliere una delle piastre già utilizzate per l’attività 2_1 (materiali diversi e spessori
diversi). Porre uguali quantità di acqua in bicchieri di polistirolo identici e discutere con la
classe dell’organizzazione dell’esperimento. Gli studenti stessi, in gruppi, sceglieranno due
delle piastre e discuteranno con il docente la loro scelta, in termini di ciò che si aspettano
di ottenere in relazione alle capacità di isolamento termico delle piastre scelte.
Obiettivi di apprendimento:
•
•
•
Comprendere che la natura del materiale influenza il trasferimento di energia termica
tra corpi a temperature diverse.
Classificare i materiali in base alla loro capacità di condurre il calore.
Identificare le variabili che influenzano la conduzione termica.
Materiali:
•
•
•
Coppie di piastre quadrate di materiale e superficie identici e diverso spessore.
Tazze di polistirolo
Sensori di temperature di superficie da porre sulle due superfici maggiori delle piastre
(vedere Fig 2_2a) .
Suggerimenti per l’uso:
Gli studenti riempiono fino a ¾ i bicchieri di acqua calda e pongono una delle piastre, con i
sensori applicati sulle due superfici maggiori, come “coperchio”. La temperatura sulle due
superfici viene registrata a intervalli di tempo regolari e si analizza la differenza tra i valori
interni ed esterni delle stesse (vedere fig. 2_2b) e il fatto che per alcuni minuti tale
differenza si mantiene costante.
Plastica
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ESTABLISH
Aluminio
Figura 2_2a)
Figura 2_2b)
La classe analizza in grande gruppo i dati ottenuti dai gruppi che hanno usato piastre di
uguale spessore e ordina i materiali da quello che ha evidenziato una differenza di
temperatura, tra le due superfici, maggiore a quello con differenza di temperatura minore
(vedere fig. 2_2c). in base a tale classificazione si definisce il materiale più isolante
l’energia termica e quello più conduttore.
Figura 2_2c
L’insegnante discuterà con gli studenti il modo migliore di analizzare i vari parametri che
influenzano i risultati ottenuti.
NOTA
Gli studenti possono confrontare i loro risultati con le loro previsioni e procedere ad identificare e giustificare
le eventuali discrepanze.
Possibili domande:
Mettere in evidenza le differenze tra i materiali usati nella costruzione di tipi diversi di
edificio, rispetto all’isolamento termico.
B. Materiali di classe
Scheda di lavoro “Schede di lavoro-subunit_2”
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ESTABLISH
SOTTO_UNITÀ 3: Convezione
IX_2.
Percorsi di apprendimento
Questa sotto-unità studia il trasferimento di energia termica dovuto allo spostamento di
masse di materia (liquidi o gas) da zone calde a zone più fredde.
Il punto di partenza è l’analisi dell’Attività 1_2 della Sotto_Unità_1, che sarà estesa da
ulteriori osservazioni svolte nell’Attività 3_1, allo scopo di rendere evidente le correnti di
fluido che si muove da zone in cui esso si trova ad una data temperatura a zone nelle
quali ha una temperatura inferiore.
L’Attività sarà integrate dalla costruzione di un modello esplicativo, cioè da un
“meccanismo di funzionamento” qualitative che spiegherà la convezione naturale sulla
base della differenza di densità tra volume di fluido a temperature diversa. Un modello di
questo tipo verrà usato per spiegare l’”effetto ciminiera”, durante il quale la risalita di aria
calda verso le parti superiori di una stanza fa muovere l’aria fredda verso le parti inferiori.
Una seconda attività (Attività 3_2) prenderà in considerazione l’effetto del movimento
dell’aria sulle temperature superficiali, confrontando i risultati di due esperimenti relative
alla convezione naturale e a quella forzata. I dati possono essere analizzati
qualitativamente o quantitativamente, a seconda del livello scolare degli studenti.
La tabella seguente riassume le tre attività dal punto di vista del tipo di attività Inquiry e
delle “5 E” del Ciclo di Apprendimento.
Attività Cosa fanno gli studenti
3_1
Osservazione delle correnti
di convezione
3_2
Sperimentiamo i diversi tipi
di convezione
VI_3
Tipo di Inquiry
E-emphasis
Dimostrazione interattiva. Engage
Scoperta legata
Explore
Scoperta guidata
Engage
Explore
Elaborate
Extend
Valutazione
IN PROGRESS
VII_3
Attività di apprendimento per gli studenti
Attività 3_1: Osservazione delle correnti di convezione
Il problema:
L’Attività 1_2 ha messo in evidenza che, se si accende un riscaldatore, in differenti parti di
un modello di casa è possibile misurare temperature differenti. Osserveremo adesso cosa
succede in un recipiente le cui estremità sono tenute a temperature diverse.
Obiettivi di apprendimento:
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ESTABLISH
•
•
Comprendere che Ie differenze di temperature provocano, in un fluido, correnti
convettive.
Identificare “meccanismi di funzionamento” sulla base della differenza di densità di
volumi di fluido a temperatura diversa .
Materiali:
•
•
•
Due recipienti pieni, rispettivamente, di acqua calda e di ghiaccio.
Un piccolo acquario in vetro, pieno di acqua a temperatura ambiente.
Inchiostro o vernice rossa e blu.
Suggerimenti per l’uso:
Acqua calda
Ghiaccio
Figura 3_1a)
Figura 3_1b)
Figura 3_1c)
L’acquario pieno d’acqua è posto sopra i due recipienti con acqua calda e ghiaccio
(vedere Fig. 3_1a) e si versano delicatamente due gocce di inchiostro/vernice rossa e blu
sulla superficie dell’acqua, in corrispondenza dei due recipienti. Al sito web seguente:
(http://www.youtube.com/watch?v=7xWWowXtuvA&feature=related) è possibile vedere un
video dell’esperimento.
L’insegnante può effettuare l’esperimento e porre domande agli studenti in relazione a
fenomeni di vita quotidiana che richiamano quanto si osserva. Lo scopo è quello di
spingere gli studenti a identificare variazioni di densità in volume uguali di fluido a
temperature diversa e a spiegare il moto verso l’alto del liquido in relazione ai processi di
“galleggiamento” che ne conseguono.
Possibili domande:
1. Che succede se si pone una goccia di olio nella parte inferiore di un
recipiente contenente acqua? Spiegare.
2. Analizza il riscaldamento di una pentola piena d’acqua posta su un fornello e
descrivi cosa avviene.
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ESTABLISH
NOTA PER L’INSEGNANTE: il riscaldamento di una pentola piena d’acqua posta su un
fornello rappresenta un esempio di trasferimento di calore tramite convezione ben noto
agli studenti. Quando si accende il fornello, l’energia termica è trasferita per conduzione
dal fornello alla parte inferiore della pentola, e da questa all’acqua. Dopo un certo
intervallo di tempo, appaiono delle bolle d’acqua sulle superfici interne della pentola,
specie nella parte inferiore. Queste bolle, che sono, in effetti, regioni dove l’acqua è più
calda, e quindi meno densa, tendono a risalire verso la superficie e trasferiscono, tramite il
meccanismo della convezione, energia termica dalla zona più calda della pentola, quella
inferiore, a quella più fredda. Allo stesso tempo, l’acqua più fredda e più densa, che sta
nella parte superiore della pentola, tende a spostarsi verso il basso ed è riscaldata dal
contatto con le pareti della pentola. La figura riportata sotto indica le cosiddette correnti di
convezione.
3. Perché il pallone si muove verso l’alto?
La figura mostra un giocattolo abbastanza
diffuso: il pallone ad aria calda. Quando la
candela viene accesa, il pallone inizia a
muoversi verso l’alto. Sai spiegare perché?
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ESTABLISH
NOTA PER L’INSEGNANTE
Tramite l’analisi delle risposte degli studenti alle domande poste, è possibile ipotizzare un
“meccanismo di funzionamento” per le evidenze sperimentali osservate.
Supponiamo di riscaldare una data regione contenente aria. Mentre si riscaldano, le
molecole di aria tendono ad occupare volumi sempre più ampi, rendendo detta regione
sempre meno densa rispetto alle zone circostanti, dove la temperatura non è ancora
aumentata. La zona meno densa, di conseguenza, inizierà a “galleggiare” rispetto all’aria
più fredda e tenderà a risalire, trasferendo, durante il processo, energia all’aria più fredda.
E’ possibile porre ulteriori domande in relazione ai seguenti fenomeni:
I fenomeni della “brezza di mare” e della “brezza di terra” avvengono su zone di terra
vicine a grandi quantità di acqua, come mari o laghi. Essi forniscono esempi di correnti di
convezione. L’acqua ha una capacità termica maggiore rispetto alla terra, quindi varia la
sua temperature più lentamente rispetto a quest’ultima, sia in riscaldamento che in
raffreddamento. Nelle mattine, quindi, a causa dell’irraggiamento solare l’aria sopra la
terra è più calda di quella sopra l’acqua. Ciò si traduce in una minore pressione dell’aria
sulla terra rispetto a quella sull’acqua e ciò spinge correnti d’aria a muoversi dal mare, o
dal lago, verso la terra. Si ha la cosiddetta “brezza di mare” (o “di lago” …). D’altro canto,
durante la note, l’acqua si raffredda molto più lentamente rispetto alla terra, e l’aria sopra
l’acqua è, di conseguenza, un po’ più calda rispetto a quella sopra la terra. Di
conseguenza sono, stavolta, gli stati d’aria sopra l’acqua ad avere una pressione
leggermente inferiore rispetto a quelli sulla terra e si avrà una “brezza di terra”, con una
corrente d’aria che soffia dalla terra alla massa d’acqua.
Attività 3_2: raffreddamento naturale e forzato
Il problema:
In molte automobile il motore è raffreddato tramite convezione forzata. Infatti, è facile
notare che la temperatura del motore scende quando l’automobile si muove, mentre tende
a salire se ci si ferma. L’aria ad alta velocità raffredda meglio il motore rispetto all’aria che
è ferma rispetto al motore. Molte auto, sopperiscono alla mancanza di aria in moto tramite
l’accensione di una ventola che, in effetti, mette in moto l’aria, soffiandola verso il motore.
Come è possibile verificare l’effetto del movimento dell’aria nel processo di
raffreddamento?
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ESTABLISH
Obiettivi di apprendimento:
•
Comprendere i diversi aspetti della convezione in aria.
•
Usare le evidenze sperimentali per analizzare e risolvere un problema di tipo
quotidiano.
•
Acquisire abilità di collaborazione tra pari nella progettazione e conduzione di uno
studio sperimentale.
•
Imparare a riflettere sugli scopi e la natura delle attività sperimentali sviluppate nella
Sotto_Unità.
Materiali:
•
•
•
•
•
Due piastrine di alluminio (lati ≅ 15 cm, spessore ≅ 3mm),
Due sensori di temperatura di superficie
Un recipienti di acqua calda ( circa 90°C)
Due supporti isolanti (polistirolo)
Due buste di plastica trasparente
Suggerimenti per l’uso:
Figura 3_2a)
Figura 3_2b)
Due piastre di alluminio (lati ≅ 15 cm, spessore ≅ 3mm), precedentemente riscaldati ad
una temperature di circa 90°C (per i dettagli, vede re le attività di classe) sono posti sui
supporti in polistirolo (vedere le figure 3_2a) e 3_2b) ) e sono fatte raffreddare in aria a
temperatura ambiente tramite convezione naturale e forzata. La Fig. 3_2a) mostra la
modalità di raffreddamento naturale e quella 3_2b) quella forzata, tramite un ventilatore
puntato sulla piastra. Le temperature delle piastre sono misurate tramite due sensori di
temperatura di superficie messi a contatto con le stesse e tenuti fermi con dei pezzi di
scotch.
La Figura 3_2c) mostra un tipico risultato ottenuto nei due casi di raffreddamento. I dati
relativi al raffreddamento forzato si riferiscono a due diversi valori di velocità della ventola
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ESTABLISH
(P1 < P2).
120
Natural conv.
Forced conv. P1
100
Temperature (°C)
Forced conv. P2
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Time (s)
Figura 3_2c)
Possibili domande:
1. Confronta le tre curve Temperatura – Tempo mostrate in figura 3_2c e cerca di dire
quali sono le differenze principali che riesci ad identificare.
2. Quali sono le differenze principali tra le due curve che rappresentano la convezione
forzata?
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ESTABLISH
NOTA PER L’INSEGNANTE.
E’ possibile ottenere una espressione analitica per le curve di raffreddamento tramite una
procedura di fitting (Figura 3_2d) o rappresentando i dati in una forma diversa. La figura
3_2e) dà un esempio di un fitting dati ottenuto rappresentando su grafico l’opposto del
rapporto tra le variazioni di temperatura e di tempo, ( – ∆T/∆t ), in funzione della differenza
di temperatura rispetto al valore ambiente, (T-Te), (vedere i materiali di classe).
120
Natural conv.
Forced conv. P1
Forced conv. P2
Exponential fits
y = 80,394e-0,0283x
R2 = 0,9997
100
(T-Te) (°C)
80
y = 103,78e-0,0257x
R2 = 0,9954
60
y = 82,835e-0,0071x
R2 = 0,9993
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Time (s)
Figura 3_2d)
1,6
1,4
y = 0,0242x + 0,0034
R2 = 0,999
−∆ T/∆ t (°C/s)
1,2
Natural conv.
Forced conv. P1
Forced conv. P2
1,0
Linear fits
0,8
y = 0,021x + 0,0035
R2 = 0,9985
0,6
0,4
y = 0,0075x - 0,0086
R2 = 0,9924
0,2
0,0
0
20
40
60
(T-Te) (°C)
Figura 3_2e)
C. Materiali di classe
Scheda di lavoro “Schede di lavoro-subunit_3”
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SOTTO_UNITÀ_4: radiazione termica
VI_4 Percorsi di apprendimento
Questa Sotto-Unità studia i trasferimenti di energia dovuti ai fenomeni di irraggiamento e
analizza la radiazione termica. A seconda degli argomenti studiati in precedenza dagli
studenti della classe dove la Sotto_Unità viene svolta, le attività qui descritte potrebbero
richiedere alcuni richiami, o una introduzione completa, dei concetti di base relativi alla
radiazione elettromagnetica.
Gli studenti sono, di solito, più abituati a parlare di trasmissione dell’energia termica
tramite conduzione, anche a causa della loro esperienza di vita comune. Il concetto fisico
di propagazione di energia tramite irraggiamento può essere introdotto alla classe facendo
riferimento all’energia che viaggia continuamente dal Sole alla Terra attraverso lo spazio
vuoto che separa i due corpi celesti, senza alcun contributo dovuto alla conduzione e alla
convezione, che sono fenomeni di trasmissione dell’energia legati alla presenza di un
mezzo materiale. Questo esempio introduttivo, sebbene efficace nell’immediato, si rivela
spesso insufficiente a supportare una comprensione duratura da parte dello studente del
fenomeno dell’irraggiamento, probabilmente perché non è supportato da attività pratiche
che possano mettere in condizione lo studente stesso di provare “con le sue mani” cosa
significa il trasferimento di energia in assenza di un mezzo materiale tra i due oggetti che
si scambiano l’energia stessa. Le attività sperimentali qui proposte, sono pensate per far
parte di un percorso di scoperta (Inquiry) finalizzato all’esplorazione pratica della
trasmissione di energia tramite irraggiamento.
I concetti principali da richiamate possono essere sintetizzati come segue.
Irraggiamento è il nome che si usa comunemente per indicare l’energia elettromagnetica
che viaggia attraverso lo spazio. Questa energia può viaggiare molto velocemente (alla
velocità della luce, c = 2.998 x 108 m/s), anche attraverso il vuoto. Non è necessario alcun
materiale perché si abbia irraggiamento. Il fenomeno avviene in molte “forme”, tramite la
propagazione di ciò che noi chiamiamo luce visibile, radiazione infrarossa (IR), ultravioletta
(UV), raggi X, microonde e onde radio. Sebbene tutte queste “forme” abbiano nomi diversi,
si tratta sempre della stessa energia elettromagnetica: l’unica differenza è relativa alle
differenti frequenze delle onde elettromagnetiche coinvolte nella trasmissione dell’energia,
e nella quantità dell’energia stessa che viene trasmessa.
Nell’immagine riportata sotto è possibile vedere uno “spettro” della radiazione
elettromagnetica (e.m.) , classificata in termini della “lunghezza d’onda” e della
“frequenza”.
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La radiazione e.m. interagisce con la materia in modo diverso a seconda della sua
frequenza, e ciò la rende a noi più diversa, nelle sue varie manifestazioni, di quanto non
sia in realtà. In molte situazioni di vita comune osserviamo che i corpi irradiati dalle onde
elettromagnetiche acquistano energia termica, che è principalmente trasferita ad essi dalla
radiazione infrarossa (IR) e da quella visibile.
Durante lo sviluppo della Sotto_Unità, verrà introdotto l’uso di due nuovi strumenti: il
termometro ad infrarossi e la “termocamera”.
Il punto di partenza è l’analisi dell’Attività 1_3 della Sotto_Unità_1, che ci ha permesso di
evidenziare che la luce può riscaldare le mura dei nostri modelli di casa, e che questo
effetto di riscaldamento viene incrementato a seconda che il colore delle mura sia chiaro o
scuro.
Il primo problema che dobbiamo affrontare è la costruzione di un “sensore di radiazione
elettromagnetica” o “radiometro” (vedere Attività 4_1).
L’Attività 4_2 ci permetterà di studiare l’effetto degli effetti di riscaldamento della
radiazione solare su corpi di colore diverso.
L’Attività 4_3 mostrerà che i radiometri da noi costruiti sono utili a rendere evidente la
presenza di una radiazione differente da quella visibile e a introdurre la radiazione IR.
Una delle ultime due Attività può essere scelta dal docente a seconda del livello di
approfondimento che vuole raggiungere. In particolare, l’Attività 4_4 propone una
approccio di tipo Scoperta Aperta (Open Inquiry) all’analisi degli apparati IR (video,
immagini, termometri,….). l’Attività 4_5 prevede la visione di un video, nel quale lo stesso
esperimento è effettuato in presenza e in assenza di aria, allo scopo di approfondire la
conoscenza della radiazione IR.
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La tabella seguente riassume le tre attività dal punto di vista del tipo di attività Inquiry e
delle “5 E” del Ciclo di Apprendimento.
Attività
4_1
Cosa fa lo studente
Costruzione e uso di un
radiometro artigianale
Tipo di Inquiry
Dimostrazione interattiva
4_2
Illuminiamo oggetti di colore
diverso.
Dimostrazione interattiva
Engage
Indagine guidata, Indagine Explore
mirata
Elaborate
4_3
Irraggiamento da oggetti caldi e
freddi
Indagine guidata, Indagine
mirata . E’ possibile anche
svolgere una attività di
Indagine aperta
Indagine aperta
Engage
Explore
Extend
Dimostrazione interattiva
Explore
Extend
Elaborate
4_4
4_5
Una indagine aperta sulla
Termografia Infrarossa
Analisi di esperimenti di
raffreddamento in presenza e in
assenza di aria (Esperimenti
video-registrati)
E-emphasis
Engage
Explore
Explore
Extend
Elaborate
VII_4 Valutazione
IN PROGRESS
VIII_4
Attività di apprendimento per gli studenti
Attività 4_1: Costruzione e uso di un radiometro artigianale
Il problema:
Come può la radiazione elettromagnetica riscaldare un corpo? In che modo tale
riscaldamento è legato alle proprietà del corpo?
Obiettivi di apprendimento:
Lo scopo di questa attività è quello di mostrare che l’energia si trasmette tramite la
radiazione e.m., allo stesso modo dei fenomeni di conduzione e convezione, tra una
sorgente di radiazione e un radiometro artigianale.
Materiali:
Si costruiscono tre radiometri artigianali e si svolgono le attività sperimentali tramite il
seguente materiale:
N. 3 sottili fogli di alluminio (ottenuti, ad esempio, tagliando delle lattine di “Pepsi
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Cola”);
N. 3 sensori di temperatura di superficie, interfacciati con un PC;
N. 1 lampada alogena (400 W)
N. 1 filtro per luce visibile (fatto da due strati sovrapposti di pellicola a colori
impressionata alla luce solare e sviluppata. La pellicola è poi fissata ad un supporto
di plastica trasparente (crilex)).
Suggerimenti per l’uso:
Procedura di costruzione dei radiometri:
Le lattine sono tagliate, in modo da ottenere tre lastrine di alluminio di uguale superficie
(4x7 cm2). Una delle lastrine è dipinta, in una delle sue facce di nero, un’altra è dipinta di
bianco e la terza è lasciata nel suo colore naturale (alluminio). Alla parte centrale della
faccia non dipinta di ciascuna lastrina è applicato l’elemento sensibile di uno dei sensori di
temperatura di superficie, in modo che rimanga fissato tramite un pezzo di scotch. Ogni
lastrina è, poi, applicata ad un supporto di polistirolo. La ragione dietro l’aver dipinto una
delle lastrine di nero e un’altra di bianco è basata sull’esperienza di vita quotidiana che
vede gli oggetti di colore scuro raggiungere una maggiore temperatura superficiale quando
sono irradiati dalla radiazione solare rispetto a quelli di colore più chiaro.
Radiometro artigianale
Filtro per luce visibile
Prima attività sperimentale (svolta dal docente)
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Lampada alogena
Il radiometro fatto con la lastrina non colorata è
esposto alla luce della lampada alogena, ad una
distanza di 25 cm dalla sorgente luminosa.
Visible light exposure
La lampada è accesa per 30 secondi è poi
spenta e rimossa. La temperatura del radiometro
viene registrata in funzione del tempo. Come si
vede dal grafico riportato accanto, essa aumenta
fino ad un valore Massimo e dopo inizia a
diminuire.
Possibili domande:
Prima domanda: ”perché la temperatura superficiale del radiometro aumenta?”
Seconda domanda: “qual è il meccanismo principale di trasferimento di energia
durante l’esperimento?”
Terza domanda: noi sappiamo che l’energia potrebbe raggiungere la superficie del
radiometro tramite conduzione attraverso l’aria. Ma quale meccanismo è più
rilevante in questo caso? Come sarebbe possibile discriminare i vari meccanismi?
Per rispondere alle domande il docente può ripetere l’esperimento usando anche un
termometro tradizionale (non illuminato), che verrà usato per misurare la temperature
dell’aria circostante. Si misura, dapprima, la temperatura dell’aria tra la lampada, ancora
spenta e il radiometro. Quindi si accende la luce, si aspetta per 30 secondi, in modo che la
luce possa illuminare il radiometro nelle stesse condizioni della misura precedente, e la
lampada viene, quindi, spenta (e rimossa). Tramite il termometro si cerca ora di misurare
la temperatura dell’aria tra la posizione originaria della lampada e il radiometro. Si troverà
che non c’è alcuna variazione significativa della temperature dell’aria rispetto al valore
misurato in precedenza, prima di accendere la luce.
NOTA:
Se non si osserva alcuna variazione della temperature dell’aria nella zona compresa tra la
lampada e il radiometro, vuol dire che il trasferimento di energia tra la lampada e il
radiometro non può essere dovuto a processi di conduzione o di convezione nell’aria. La
forma dominante di trasmissione dell’energia è, quindi, differente, ed è da imputare
all’irraggiamento della lampada.
Quarta domanda: l’aumento di temperatura di un oggetto esposto alla luce solare
è un fenomeno ben conosciuto. Sappiamo già che la luce solare si propaga
attraverso lo spazio vuoto che separa il Sole dalla Terra e riscalda l’atmosfera
terrestre e gli oggetti sulla superficie del pianeta. Cosa succederebbe se
eliminassimo la componente visibile della luce emessa dalla lampada?
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Allo scopo di studiare meglio la
trasmissione
di
energia
tramite
irraggiamento, l’insegnante può ripetere
l’esperimento di cui alla prima attività
sperimentale, frapponendo un filtro per luce
visibile tra la lampada alogena e la piastra
del radiometro. Dal grafico riportato a lato
(traccia viola), è evidente che, anche in
questo caso, la temperatura della piastra
aumenta, anche in assenza totale di
trasmissione di luce visibile.
Visible light filtered
exposure
L’aumento di temperature, e il successivo
raffreddamento,
vengono registrati in
funzione del tempo e confrontati con ciò che
si era ottenuto in presenza di trasmissione
di luce visibile. Il valore massimo di
temperatura ottenuta è certamente inferiore
rispetto a quello precedente, ma ancora
perfettamente misurabile.
Domanda:
“In questo caso, non vi è trasmissione di luce visibile. Cosa trasmette, allora, l’energia?”
Il docente può invitare degli studenti a verificare la presenza di questa “radiazione
invisibile”, mettendo la mano tra il radiometro e il filtro.
“Quando la lampada è accesa, non è possibile vedere alcuna luce che si trasmette oltre il
filtro, ma è possibile, invece, “sentire” una sensazione di calore sulla mano. Quando la
lampada viene spenta, la sensazione di caldo immediatamente scompare”.
Attività 4_2: illuminiamo oggetti di diverso colore
Il problema:
L’aumento di temperature di oggetti esposti alla luce solare è un fenomeno ben noto. Cosa
succede ad oggetti che sono identici, tranne che per il colore?
Obiettivi di apprendimento:
•
Analizzare differenti aspetti dell’assorbimento di energia in corpi di colore diverso.
•
Fare uso delle evidenze sperimentali per analizzare e risolvere problemi di vita
quotidiana.
•
Progettare e sviluppare uno studio sperimentale controllandone le variabili.
Materiali:
•
I materiali preparati per l’Attività 4_1
Suggerimenti per l’uso:
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I tre radiometri artigianali preparati in precedenza sono posti ad uguali distanza rispetto
alla lampada (25 cm) (vedere Fig. 4_2a). La lampada è accesa e i radiometri sono
illuminati contemporaneamente per 30 secondi. La lampada è, quindi, spenta e rimossa.
Il grafico riportato sotto (Fig. 4_2b) mostra che il sensore dipinto di nero raggiunge la
temperatura più alta, quello dipinto di bianco la temperatura più bassa e quello di colore
alluminio un valore intermedio di temperatura rispetto ai due precedenti. Il docente può
guidare gli studenti a comprendere che il radiometro dipinto di nero è il più sensibile alle
variazioni di temperatura superficiale indotte dalla trasmissione di luce perché è quello più
capace di assorbire energia rispetto a quelli di colore alluminio e bianco, che sono
entrambi interessati da fenomeni di riflessione della radiazione incidente. .
Black-painted radiometer
Not-painted radiometer
White-painted radiometer
Figura 4_2a)
Figura 4_2b)
Possibili domande:
•
•
Che succede se si oscura la radiazione usando il filtro precedentemente usato?,
Qual è il ruolo della “radiazione invisibile”?
NOTA:
I risultati delle attività precedenti possono essere discussi introducendo anche analogie
rispetto alla sensazione di “calore” avvertita avvicinando la mano ad un oggetto caldo.
La radiazione infrarossa (IR), cioè la radiazione termica (non visibile) emessa dagli oggetti
caldi può essere, a questo punto, introdotta, così come è possibile parlare dei diversi
tempi di riscaldamento di un oggetto irradiato con radiazione IR, rispetto a quelli,
generalmente più lunghi, che competono ai processi di riscaldamento che avvengono per
conduzione e convezione..
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Attività 4_3: Irraggiamento da oggetti caldi e freddi
Il problema:
Quando ci avviciniamo ad un oggetto caldo (ad esempio uno dei radiatori della nostra
casa) abbiamo una sensazione di caldo. Siamo proprio sicuri che si tratti di un effetto
dovuto a fenomeni di conduzione e di correnti convettive nell’aria?
E qual è la nostra sensazione quando ci avviciniamo ad un oggetto freddo?
Obiettivi di apprendimento:
Lo scopo di questa attività è quello di mostrare l’importanza della trasmissione di energia
tramite il processo di irraggiamento, rispetto a quelli di conduzione e convezione.
Materiali:
N. 2 bottiglie di plastica (una riempita con acqua calda, l’altra con acqua molto
fredda)
N. 1 radiometro artigianale (vedere l’Attività 4_1).
Suggerimenti per l’uso:
Prima attività sperimentale (svolta dal docente o da una coppia di studenti guidati
dal docente)
Il radiometro dipinto di nero è posto a circa 20 cm dalla bottiglia contenente acqua calda
(vedere Fig. 4_3_a).
La temperatura registrata dal radiometro viene rilevata e mostrata alla classe (vedere Fig.
4_3_b). Dopo circa 500 secondi, il radiometro è ruotato di 90°, ponendo la faccia nera
verso l’alto (vedere l’immagine esplicativa riportata in in Fig. 4_3_b). La temperatura
rilevata dallo strumento inizia a diminuire, anche se la bottiglia di acqua calda non è stata
in alcun modo allontanata. A circa t≈1300 s la bottiglia è rimossa e si osserva una ulteriore
decrescita della temperatura.
Figura 4_3b)
Figura 4_3a
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Seconda attività sperimentale (svolta dal docente o da una coppia di studenti
guidati dal docente)
Il radiometro dipinto di nero è posto a circa 20 cm dalla bottiglia contenente acqua fredda.
(vedere Fig 4_3_c).
La temperatura registrata dal radiometro viene rilevata e mostrata alla classe. Dopo circa
800 secondi, la bottiglia è rimossa e si verifica che la temperature registrata dal radiometro
tende a portarsi a quella ambiente. All’istante t≈1400 s la bottiglia contenente acqua calda
è posto davanti al radiometro, come nell’Attività precedente, e si misura un ulteriore
aumento della temperatura. Infine, la superficie del radiometro viene nuovamente ruotata
di 90°, portando, come nell’attività precedente, la faccia verso l’alto. Tutte le variazioni di
temperatura rilevate dal radiometro in funzione del tempo sono mostrate agli studenti (Fig.
4_3d).
Figura 4_3c)
Figura 4_3d)
Possibili domande:
Prima domanda: ”perché la temperatura superficiale del radiometro aumenta in Fig.
4_3b)?”
Seconda domanda: “qual è il meccanismo principale che spiega il riscaldamento?
Spiega la risposta.”
Terza domanda “cosa puoi dire dei processi di raffreddamento mostrati in Fig.
4_3d)?”
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Attività 4_4: Una indagine aperta sulla Termografia Infrarossa
Il problema:
Analisi di immagini ottenute tramite foto o videocamere ad infrarossi e inferenze sullo stato
termico degli oggetti rappresentati.
Confronto tra diversi tipi di termometri, compresi quelli a infrarossi
Attività 4_5: Analisi di esperimenti di raffreddamento in presenza e in
assenza di aria (Esperimenti video-registrati)
Il problema:
Analisi di video che mostrano diversi tipi di processo di raffreddamento di un oggetto caldo
in aria e in una campana a vuoto.
Materiali di classe
Scheda di lavoro “Schede di lavoro-subunit_4”
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