Temperatura e dilatazione termica

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    Classi: 1° biennio

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    Percorso didattico

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    12 h

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    Min. 6 persone

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Riassunto / Abstract

Nel linguaggio di tutti i giorni temperatura e calore sono confuse tra di loro e questo rende difficile comprenderne la differenza. L’esperimento chiarisce il concetto di temperatura mettendolo in relazione con la dilatazione termica; spiega l’uso della dilatazione per misurare la temperatura e fornisce anche una visualizzazione del legame esistente tra temperatura e velocità delle particelle.

Scheda sintetica delle attività

Questo esperimento è parte di un percorso articolato in esperimenti complessivi rivolti all'approfondimento dei concetti di calore, di temperatura e della loro misura. Gli altri esperimenti sono gli esperimenti 58-Fisica, 63-Fisica e 64-Fisica.
Esso è articolato in una sequenza di attività  di laboratorio, svolte tutte con l'utilizzo di materiali poveri e con riferimenti a situazioni real, nelle quali viene mostrato qualitativamente l'effetto della temperatura sulle dimensioni dei corpi, chiarendo il fenomeno della dilatazione termica. A partire poi da una osservazione sulla velocità di mescolamento dell'inchiostro in un liquido, la temperatura viene messa in relazione con la velocità delle particelle che microscopicamente compongono la materia.
La scansione delle attività è ispirata alla metodologia delle cinque " E"  (engage, explore, explain, elaborate, evaluate).

Risorse necessarie

  • Ferro per lavorare a maglia di metallo; 
  • due bottiglie di vetro; 
  • tappi di sughero; 
  • set di chiavi o altri oggetti; 
  • pila di libri; 
  • ago da cucire; 
  • cannucce trasparenti;
  • candela; 
  • moneta da 5 centesimi; 
  • filo di ferro; 
  • pinza; 
  • fornellino;                                                  
  • due ditalini di metallo; 
  • palloncini; 
  • contenitore metallico; 
  • acqua;
  • olio; 
  • vaschetta; 
  • plastilina; 
  • inchiostro; 
  • cronometro. 

Prerequisiti necessari

  • Conoscere le proprietà fondamentali macroscopiche della materia: massa, volume, densità e gli stati di aggregazione;
  • conoscere la composizione microscopica della materia;
  • conoscere  il significato di pressione, energia cinetica e le leggi di conservazione.

Obiettivi di apprendimento

  • Comprendere il concetto di temperatura e i suoi effetti;
  • apprendere il significato microscopico della temperatura;
  • saper distinguere i concetti di temperatura e calore;
  • saper formulare ipotesi relative a temperatura e calore su fenomeni della vita quotidiana;
  • saper condurre esperimenti e trarne spiegazioni e conclusioni a ciò che si è osservato e sperimentato.

Dotazioni di sicurezza

nessuna dotazione di sicurezza particolare.

Svolgimento

Viene proposta la realizzazione di alcune attività relative sul fenomeno della dilatazione termica, riportate nell'allegato Esperimenti sulla dilatazione termica.
Le attività proposte sono:
  •  “i fili metallici si allungano”, in cui si esplora il fenomeno della dilatazione lineare mediante l’allungamento di un ferro di calza;
  • ” le superfici si allargano”, in cui si esplora la dilatazione superficiale, mediante la dilatazione di una moneta;
  • “i solidi si ingrossano”, in cui si esplora la dilatazione volumica dei solidi, mediante la dilatazione alcuni ditalini;
  • “Il palloncino si gonfia”, in cui si esplora la dilatazione dei gas;
  • “I liquidi aumentano di livello", in cui si esplora la dilatazione termica dei liquidi, in particolare di acqua e di olio.

Per chiarire poi il concetto di temperatura e la sua interpretazione microscopica viene proposta l'attività “ le particelle muovendosi si colorano" (allegato Le particelle si colorano) nella quale si osserva come le particelle di un colorante si propagano più velocemente quanto più alta è la temperatura dell'acqua in cui il colorante viene inserito.
Associando così la temperatura con la velocità, si arriva a definire la temperatura come la  misura dell’energia cinetica media posseduta dalle particelle di cui è costituito un corpo e il calore come energia cinetica trasferita da un corpo ad un altro. 

Note e storia

Il calore e la temperatura: breve introduzione storica

Nel XVII secolo cominciarono ad essere studiati ,scientificamente, i fenomeni termici, ma fu difficile capire quali grandezze fisiche dovevano essere prese in considerazione. Galileo Galilei supponeva che il calore fosse la conseguenza di una moltitudine di “corpicelli minimi o ignei” che si muovevano ad alta velocità, mentre le idee teoriche dominanti erano quelle della “Teoria del flogisto”.
La teoria del flogisto (dal greco “infiammabile”) proposta da un certo J.J. Becher (1635-1682) , medico tedesco, che lavorava tra alchimia e chimica e perfezionata da un altro medico tedesco G.E. Stahl (1660-1734) consisteva nel presupporre  l’esistenza di una sostanza chiamata “flogisto” che si liberava sia quando veniva bruciato materiale organico, sia trattando materiali con il calore in aria libera. Siccome in alcuni processi chimici ,nei quali il flogisto si pensava doveva essere eliminato, il peso dei prodotti ottenuti era maggiore rispetto alle sostanze di partenza, si ipotizzò che avesse peso negativo o privo di peso.
La teoria del flogisto dovette soccombere a causa dell’opera di A.L. Lavoisier (1743-1794) attraverso l’uso sistematico della bilancia analitica nello studio delle reazioni chimiche. Egli dimostrò che i processi di combustione e ossidazione coinvolgono l’ossigeno dell’aria e non una fuoriuscita del flogisto.

Ma che cosa era il calore? 

Secondo alcuni il calore era una sostanza “il calorico” dotata o no di peso, secondo altri il calore era una specie di moto, probabilmente una vibrazione.
La prima ipotesi la si deve a Lavoisier: per spiegare i fenomeni termici , egli ritenne opportuno supporre l’esistenza di un fluido “il calorico” straordinariamente elastico, indistruttibile ed estremamente sottile per poter penetrare nei corpi quando venivano scaldati o fuoriuscirne quando venivano raffreddati; doveva, inoltre, anche, essere privo di peso, al fine di dare conto dei dati sperimentali nei fenomeni di riscaldamento o di raffreddamento.
La teoria del calorico, però, non riusciva a spiegare alcuni fenomeni: per fondere il ghiaccio lo si deve scaldare e si osserva che durante il passaggio dalla fase solida a quella liquida la temperatura resta costante. Ci si chiedeva dove andasse a finire il calore fornito durante il passaggio di fase.

Era anche noto che un corpo si scalda per attrito. Ci si chiedeva da dove provenisse quel calore.

Il fisico Thomson (1753-1814), osservando il calore sviluppato durante il processo di alesatura dei cannoni con la produzione di trucioli metallici incandescenti, concluse che:

“La sorgente del calore generato per attrito, in questi esperimenti, appariva manifestamente inesauribile ..”

Quindi, pensava, una cosa che può essere fornita senza limitazioni, non può essere una sostanza materiale, ma doveva essere legata al movimento.

Questa idea , in realtà, riprendeva un’ipotesi maturata nello studio dei gas ad opera dei fisici Boyle e  Bernoulli. Quest’ultimo introdusse un modello cinetico molecolare, per spiegare il moto dei fluidi gassosi: i gas sono un insieme di particelle microscopiche perfettamente elastiche, in moto caotico e quindi sottoposte ad urti reciproci. Thomson riconduceva il calore al movimento di particelle materiali, le variazioni di temperatura alla loro velocità e la trasmissione del calore alle leggi meccaniche dell’urto.

Il lavoro di Thomson, però, non servì ad accantonare la teoria del calorico che invece continuò a coesistere con la teoria cinetica fino alla metà del XIX secolo. Infatti la teoria del calorico spiegava, attraverso il concetto di calore latente, i fenomeni fisici in cui il calore sembrava scomparire. Il fluido calorico immagazzinato nei corpi si troverebbe nascosto (appunto latente) e si renderebbe “visibile” in determinate condizioni (per esempio con l’attrito).

Il fisico H. Davy (1778-1829) con un semplicissimo esperimento (è possibile fondere due pezzi di ghiaccio attraverso l’azione di sfregamento reciproco) fece accantonare definitivamente la teoria del calorico. Infatti era già noto che il calore specifico dell’acqua è maggiore dei quello del ghiaccio, quindi il calorico si sarebbe generato dal nulla; questa affermazione era in contraddizione con il concetto di calorico stesso.

Bibliografia

Autori

Cantalupo Antonia

Schede / Allegati