calore e temperatura

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE IN MATERIALI DIVERSI

L’anno scorso abbiamo verificato la capacità di alcuni materiali di scaldarsi anche se lontani da una fonte di calore. Avevamo messo in una pentola d’acqua bollente cucchiai di materiali diversi e abbiamo constatato che alcuni si scaldavano fin sulla punta del manico, mentre altri, come il cucchiaio di legno, si potevano tranquillamente toccare senza scottarsi.

Anche quest’anno abbiamo voluto fare un esperimento per verificare la propagazione del calore in materiali solidi.

Ci siamo procurati diversi bastoncini di: acciaio, legno, plastica,rame e alluminio.

Abbiamo attaccato con la cera calda dei semi di zucca o di pepe, a distanze regolari, lungo le aste, che abbiamo appoggiato a dei sostegni, preparati in modo che sotto ci stesse una candela accesa.

La fiamma doveva scaldare il bastoncino e, se il materiale fosse stato un buon conduttore, il calore si sarebbe propagato lungo l’asta, fino a far colare la cera e a far cadere i semi.

Purtroppo non abbiamo trovato aste tutte uguali per lunghezza e spessore; quelle di rame erano cave e una più sottile dell’altra.

Abbiamo registrato i tempi: da quando è stata accesa la candela sotto l’asta, a quando erano caduti tutti i semi. In alcune sbarre non sono caduti, o solo in parte.

Abbiamo posto la fiamma sempre alla stessa distanza dalla sbarra.

  Sbarra di alluminio

Tubo di rame del diametro di un cm, più corto degli altri

Tubo di rame sottile ( diametro 5 mm)

 Tubo di acciaio non cavo

Non siamo riusciti a fare l’esperimento con l’asta di legno e il tubo di plastica rigida perché, a contatto con la fiamma della candela, bruciavano ( il legno si è infiammato e la plastica colava).

Allora abbiamo ripetuto l’esperimento mettendo i due bastoncini di legno e plastica, con un’estremità, in acqua bollente.

Dopo mezz’ora, i semi di zucca, attaccati su tutta la lunghezza, resistevano e le due sbarre non erano per niente scaldate.

Ci siamo così convinti che plastica e legno sono pessimi conduttori, ma buoni isolanti.

LE NOSTRE OSSERVAZIONI

Tommaso – Le due aste di rame hanno lasciato passare subito il calore e i semi attaccati sono caduti quasi subito; i tubi si sono riscaldati fino all’estremità opposta alla fiamma ( come immaginavo).

Lo spiedo di alluminio, invece, non ha condotto bene il calore ( contrariamente alle previsioni). Aggiungendo un’altra fiamma, il calore si è propagato un po’ ma non è arrivato fino in fondo.

L’asta di acciaio conduce il calore meglio dell’alluminio, ma peggio del rame.

Ho notato che i semi, prima di cadere, scivolano verso il basso, perché il tubo è tondo.

Andrea G – Ho capito che il rame è veramente un buon conduttore di calore mentre pensavo lo fosse di più l’alluminio.

Angela – Il calore che si propaga non dipende solo dallo spessore del bastoncino, ma anche da come è messa la fiamma sotto. Quando abbiamo aggiunto una candela sotto la sbarra di alluminio, sono caduti altri due semi ( anche se non tutti fino in fondo).

Silvia – L’alluminio è lento a far passare il calore; il rame è veloce; nella plastica e nel legno non passa.

Mattia – Nella sbarra di alluminio sono caduti i primi semi, ma poi si è bloccato. Nel rame i semi sono caduti tutti molto presto. Nell’acciaio ci ha impiegato un po’ di più.

Ho capito che i metalli non hanno lo stesso tempo di conduzione del calore.

Andrea O – Lo spiedo di alluminio, all’estremità opposta rispetto alla fiamma, era freddo.

Ilenia – L’alluminio è stato il più lento. All’inizio cadeva un seme ogni 4-5 minuti, poi il suo andamento si è rallentato e si è bloccato.

L’acciaio sembrava un cronometro: cadeva un seme a ogni minuto che passava. Poi anch’esso ha diminuito il suo ritmo.

Possiamo mettere i materiali in scala, a seconda della conducibilità del calore:

Il calore corre lungo il filo!

Scaldando il filo di rame, questo si dilata leggermente diventando più lungo.

RIUSCIRA’ A SCIOGLIERE LA CERA?

Abbiamo conficcato un pezzo di  filo di ferro lungo 10 cm , un filo di rame della stessa lunghezza e uno stecchino di legno in una candela.

Sotto l’estremità più lontana dalla candela abbiamo acceso un lumino che scaldava il materiale.

In pochi secondi il flo di rame si è scaldato, fino a riuscire a colare la cera in cui era conficcato e così è caduto. Lo stesso è successo con il ferro, ma ci è voluto un po’ pìù di tempo. Il legno invece non si è scaldato, ma è cominciato a bruciare.

Il rame e il ferro si sono, ancora una volta, dimostrati buoni conduttori di calore.

IL GIROTONDO DEI SEMI

Il moto convettivo

La maestra ha posto, sul fornello acceso, un recipiente di vetro resistente al calore, pieno d’acqua. Dentro abbiamo gettato semi di mela, di limone e arancia.

Abbiamo aspettato finchè l’acqua ha cominciato a bollire.

 Allora i semi di mela, più piccoli degli altri, si sono sollevati, poi hanno cominciato a muoversi lentamante quelli di arancia e limone che si sono uniti agli altri in una specie di altalena.

 Hanno continuato a salire e, quando erano in alto scendevano da un’altra parte disegnando come un ovale nell’acqua.

Si erano create delle correnti nell’acqua.

I semi sembravano spinti in alto. Salivano anche molte bollicine dal fondo.

In questo esperimento i semi salgono dal bordo e scendono al centro, mentre, quando abbiamo fatto la stessa esperienza con la segatura, quella saliva al centro e scendeva ai lati. Forse è successo perché il recipiente è stretto e alto.

Quando si è spento il fornello, il movimento si è pian piano rallentato e poi fermato, lasciando i semi sul fondo.

Abbiamo verificato che l’acqua, messa a scaldare, non sta ferma, ma si muove: l’acqua più vicina alla fonte di calore si scalda e sale e il suo posto è preso dall’acqua che stava sopra.

TOCCHIAMO FERRO

La maestra ci ha fatto toccare un blocco di ferro. È di colore grigio scuro e ha un buco nel mezzo.

Il blocco, al tatto, ci sembra freddo e pesante.

Abbiamo discusso e formulato delle ipotesi sulla sua temperatura. Alcuni hanno ipotizzato che fosse freddo, ma molti sostenevano che la temperatura fosse uguale a quella dell’ambiente.

Allora abbiamo introdotto nel foro che c’era su uno dei lati, un termometro: segnava la stessa temperatura dell’ambiente circostante: 21°C.

Abbiamo più volte constatato che un oggetto tende a raggiungere sempre la stessa temperatura dell’ambiente in cui si trova.

Dalla conversazione:

Ilenia: quando ho le mani calde, sento fredde le cose che tocco; sento freddo il blocco di ferro, ma deve essere a temperatura ambiente perché era qui in aula.

Tommaso: la temperatura del ferro si è senza dubbio livellata con quella dell’aria.

Silvia: noi abbiamo la nostra temperatura corporea e siamo vestiti; il blocco di ferro sente di più la temperatura ambiente.

Diego M.: la temperatura del ferro è minore di quella del nostro corpo, per questo lo sentiamo freddo.

Angela: il ferro mi sembrava freddo forse perché la mia mano era calda. Mi succede sempre che, quando ho la mano fredda, sento le cose calde; quando ho la mano calda, sento freddo.

La maestra ci ha fatto toccare anche un cubo di legno, anch’esso con un buco per permettere l’introduzione di un termometro. Nessuno l’ha sentito freddo. Perché?

Diego B.: abbiamo pensato che il legno è un isolante e perciò non trattiene il freddo. Le nostre mani erano calde e così hanno sentito il ferro più freddo.

Gianluca: il legno è un isolante, mentre il ferro prende il caldo dalle nostre mani e ci dà una sensazione di fresco. Anche se sentivo freddo il ferro, ho pensato subito che avesse la stessa temperatura dell’ambiente. Ho capito che la nostra mano ha sentito freddo il ferro perché è un buon conduttore e ha preso un po’ di calore dalla nostra mano e così noi lo sentiamo freddo.

CHE TEMPERATURA RAGGIUNGE?

Abbiamo riscaldato il blocco di ferro, ponendolo sopra il fornello elettrico acceso.

Abbiamo registrato la temperatura raggiunta fino a quando ha raggiunto quasi la massima temperatura segnata sul termometro e allora la maestra l’ha tolto perché non scoppiasse. Era arrivato a 141°C in 23 minuti.

A quel punto la maestra ha preso il blocco con delle presine e l’ha messo in una pentola dove c’era un litro d’acqua  a 17°C.

Si è sentito uno sfrigolio; si è sollevata una nuvoletta di vapore e…la temperatura dell’acqua è salita a 29°C subito e a 36°C dopo 2 minuti.

L’acqua era in parte evaporata.

Anche questa prova ci ha fatto capire che il ferro aveva ceduto parte del calore all’acqua; c’era quindi stato un trasferimento di calore.

Abbiamo provato anche con il cubo di legno, ma questo non si è scaldato. Il fondo cominciava a bruciare ed è uscita un po’ di resina che ha prodotto fumo e puzza.