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Energia termica e fluidi: gli effetti del calore su aria e acqua

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Energia termica e fluidi: gli effetti del calore su aria e acqua
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Termometri, dirigibili, mongolfiere... funzionano grazie alla proprietà dei liquidi e degli aeriformi di dilatarsi. Vediamo come

    • Il calore è energia termica
    • Calore che dilata, raffreddamento che contrae
    • Come si diffonde il calore?

IL CALORE È ENERGIA TERMICA

Un tempo ormai lontano si pensava che il fuoco, insieme a terra, aria e acqua fosse uno degli elementi fondamentali che formava ogni oggetto. Sappiamo da un pezzo che, mentre aria, acqua e terra sono in effetti complessi composti di sostanze varie, il fuoco non è in realtà formato da materia, ma è una espressione dell’energia termica resa evidente dai colori delle sostanze che sono volatilizzate. Ad esempio, il sodio colora la fiamma di giallo, il calcio di rosso, il rame di azzurro, il potassio di lilla e il magnesio di bianco.

Avete presente i fuochi d’artificio? Ma questa gamma di colori è possibile osservarla anche in una candela o ammirando la legna che brucia nella stufa. Oggi però più che degli effetti speciali cromatici ci occuperemo degli effetti dell’energia termica sui fluidi. Quindi entreranno di nuovo in gioco le “sorelle” del fuoco: aria e acqua. L’energia termica è anche definita più semplicemente calore e non è da non confondere con la temperatura. Noi percepiamo e misuriamo con il termometro la temperatura e non il calore.

CALORE CHE DILATA, RAFFREDDAMENTO CHE CONTRAE

Un fiammifero sulla fiamma ha un’elevata temperatura ma basso calore; al contrario un termosifone ha temperatura meno elevata ma maggior calore. In generale l’effetto del calore sui liquidi o sugli aeriformi è quello di provocare una dilatazione, un allontanamento delle molecole le une dalle altre per cui la densità del fluido diminuisce e quindi la sostanza diventa più leggera. Questo vale sia per l’aria sia per l’acqua e ovviamente per ogni altro fluido. Per il principio di Archimede, un corpo a minor densità “galleggia” su quello a maggior densità, per cui l’aria calda tende a salire e lo stesso succede per l’acqua.

In quegli affascinanti mezzi di trasporto che erano molto in voga all’inizio del XX secolo, ovvero le mongolfiere, si utilizzava per far “galleggiare” il pallone in aria, con il suo cestello e relativi passeggeri, proprio un fluido a minor densità dell’aria circostante, cioè idrogeno oppure aria calda prodotta con appositi bruciatori ospitati dal cestello. La versione maxi delle mongolfiere era costituita in quei decenni dai giganteschi dirigibili transoceanici sostenuti da involucri riempiti con idrogeno o elio. Se scaldandoli i fluidi si dilatano, il raffreddamento produce l’effetto opposto, ovvero i fluidi si contraggono, diventano più pesanti e tendono a scendere. Questi fenomeni hanno un effetto anche sulla variazione di pressione, come vedremo in alcune schede operative di seguito proposte. Alcune leggi fisiche, come l’equazione di stato dei gas perfetti, mettono in relazione proprio le grandezze temperatura, volume e pressione. Si tratta di leggi fisiche oggetto di studio nelle scuole secondarie di II grado.

COME SI DIFFONDE IL CALORE?

Quello dell’aria che sale è un moto convettivo ed è uno dei tre modi di diffusione dell’energia termica. Il calore, in questo caso, è trasportato direttamente da molecole in movimento. Nella diffusione per conduzione si ha, invece, semplice trasferimento di calore per contatto, come capita quando una mano calda scalda l’altra fredda semplicemente toccandola. Infine, la diffusione per irraggiamento è quella che avviene in assenza di materia attraverso onde termiche e spiega perché il calore del Sole arriva fino a noi. Si parla anche di celle convettive, nel senso che il fluido scaldato salendo si raffredda e inizia a scendere mentre il suo posto viene preso da altro fluido scaldato in basso dalla fonte di calore. Le celle convettive, ben note a chi si occupa di meteorologia, si realizzano e si osservano facilmente anche in cucina, notando i movimenti di una pasta da minestra che fa “su e giù” nella pentola di acqua bollente.

LAB 1: L'ARIA CHE SALE

Con questi esperimenti dimostriamo come l’aria, se scaldata, cominci a dilatarsi, diventando più leggera e spostandosi verso l'alto.

PRIMO ESPERIMENTO

Materiali

  • Bottiglia di vetro;
  • Palloncino;
  • Pentola con acqua calda

Svolgimento

  • Applicare un palloncino alla bottiglia e immergerla in una pentola con acqua calda.
  • Osservare che il palloncino comincia a gonfiarsi per effetto della dilatazione termica dell’aria che sale e lo riempie.
  • Passaggio inverso: si lascia raffreddare la bottiglia, l’aria si contrae e il palloncino torna floscio. Mettendo la bottiglia in freezer il palloncino verrà addirittura spinto all’interno della bottiglia.

SECONDO ESPERIMENTO

Materiali

  • Bottiglietta o provetta;
  • Tappo forato;
  • Tubicino di vetro;
  • Acqua;
  • Colorante;
  • Pentolino

Svolgimento

  • Se si ha a disposizione una provetta con un tappo forato attraverso cui passi un tubicino di vetro, si riempirà di acqua colorata la provetta, facendo in modo che non restino spazi vuoti tra acqua e tappo.
  • Si immergerà in acqua calda e si vedrà la salita dell’acqua colorata lungo il tubicino, tanto più quanto più l’acqua sarà calda. La discesa dell’acqua avverrà con il raffreddamento. Se non si hanno a disposizione provetta e tappo forato, si potrà usare una bottiglietta di vetro e il tubicino di un contagocce fissandolo con plastilina o impasto di farina e acqua.

Approfondimento

Senza tubicino è difficile apprezzare la dilatazione dell’acqua perché a parità di dilatazione in volume si espanderebbe anche lateralmente e quindi meno in verticale.

LAB 2: IL RAFFREDDAMENTO

TERZO ESPERIMENTO

Con questi esperimenti dimostriamo l’effetto sulla pressione del raffreddamento dell’aria.

Materiali

  • Bottiglietta di plastica con tappo;
  • Ghiaccio.

Svolgimento

  • Introduciamo il ghiaccio nella bottiglietta e tappiamo. Dopo un po’ la bottiglia si accartoccia.
  • Il raffreddamento causa una contrazione dell’aria e quindi una diminuzione di pressione. La pressione atmosferica esterna, inalterata, prevale su quella interna schiacciando la bottiglia.

QUARTO ESPERIMENTO

Materiali

  • Candela, fiammiferi;
  • Stagnola di copertura di una confezione di yogurt;
  • Filo;
  • Bastoncino (spiedino).

Svolgimento

  • Si ritaglia la stagnola a spirale.
  • Si fora al centro e si fa passare un filo legato a un bastoncino.
  • Si accende una candela.
  • Si impugna il bastoncino all’estremità opposta e si pone la spirale sopra la fiamma. Il moto convettivo dell’aria scaldata metterà in rotazione la spirale. Si realizza così la trasformazione da energia termica a cinetica.