Effetti del calore sulla materia

Che cos'è la dilatazione? Spiegala con parole tue e fai un esempio quotidiano in cui si nota, diverso da quello del termometro.

Quando fa caldo, il liquido rosso di un termometro sale lungo il tubicino; quando fa freddo, scende. Osserva la figura.

1. a) Che cosa succede al volume del liquido quando si riscalda?
2. b) Come si chiama questo effetto del calore?

Tra le rotaie del binario ferroviario ci sono piccoli spazi ogni tot metri. Osserva la figura.

1. a) A che cosa servono quegli spazi?
2. b) Che cosa succederebbe alle rotaie in una giornata di gran caldo se il binario non avesse quegli spazi?

Non c'è modo di aprire il tappo metallico di un barattolo di olive. La nonna di Luca lo tiene per qualche secondo sotto il rubinetto dell'acqua calda e poi lo apre senza problemi. Sapendo che il metallo si dilata più del vetro, spiega il trucco della nonna.

Il filo dello stendibiancheria del cortile è più teso e dritto in inverno, mentre in estate pende formando una curva. Osserva la figura.

Spiegalo con la dilatazione.

Se versi di colpo acqua bollente in un bicchiere di vetro spesso, questo può incrinarsi; in un bicchiere di vetro sottile è meno probabile. Tenendo conto che la faccia interna del vetro si scalda e si dilata prima di quella esterna, spiega perché il bicchiere spesso si rompe più facilmente.

In un termometro ad alcol, la colonna sale di $10\ \text{cm}$ quando la temperatura passa da $0\ ^\circ\text{C}$ a $50\ ^\circ\text{C}$. Osserva la figura.

1. a) Di quanti centimetri sale la colonna per ogni grado?
2. b) Di quanto salirà la colonna se la temperatura passa da $10\ ^\circ\text{C}$ a $35\ ^\circ\text{C}$?

A casa di Noa, la porta di legno del terrazzo sfrega contro lo stipite e a agosto è difficile chiuderla, ma a gennaio si chiude bene.

1. a) Spiegalo con la dilatazione.
2. b) In quale periodo dell'anno la porta sarà un po' più «ristretta»?

Leghi un palloncino mezzo gonfio e lo lasci vicino alla finestra, dove batte il sole: dopo un po' è più gonfio. Osserva la figura.

1. a) Che cosa succede all'aria dentro il palloncino quando si riscalda?
2. b) Prevedi che cosa accadrà se metti quel palloncino per un po' in frigorifero.
3. c) Pensando al palloncino, all'alcol del termometro e a un righello metallico, ordina dal maggiore al minore quanto si dilatano con il calore un gas, un liquido e un solido.

Un ponte metallico si allunga di $1\ \text{cm}$ per ogni grado di aumento della sua temperatura. Osserva lo schema del ponte.

1. a) Tra una notte d'inverno a $0\ ^\circ\text{C}$ e un pomeriggio d'estate a $35\ ^\circ\text{C}$, di quanti gradi sale la temperatura del ponte?
2. b) Di quanti centimetri si allunga il ponte tra quei due giorni?
3. c) I giunti di dilatazione del ponte saranno più aperti in inverno o in estate? Motiva la risposta.

Un dado di acciaio è bloccato sulla sua vite e il meccanico lo scalda con un cannello per allentarlo.

1. a) Che cosa succede al dado quando si riscalda?
2. b) Perché questo aiuta ad allentarlo?
3. c) Quale problema ci sarebbe se anche la vite si scaldasse quanto il dado?

Riscaldando il ghiaccio, esso diventa acqua liquida e, se continuiamo a riscaldare, vapore.

1. a) Come si chiama il passaggio da solido a liquido?
2. b) E il passaggio da liquido a gas?
3. c) Come si chiamano i due cambiamenti opposti, quelli che avvengono raffreddando?

Dopo la pioggia, le pozzanghere del parco scompaiono appena esce il sole.

1. a) Quale passaggio di stato subisce l'acqua delle pozzanghere?
2. b) Da dove prende l'acqua il calore necessario per quel cambiamento?

Quando si spegne una candela, la cera sciolta che rimane vicino allo stoppino diventa dura in pochi minuti.

1. a) Come si chiama il passaggio di stato che subisce la cera?
2. b) In questo passaggio, la cera assorbe o cede calore?

Quando si cuoce la pasta, la parte inferiore del coperchio della pentola si riempie di goccioline d'acqua. Osserva la figura.

1. a) Che cosa succede al vapore quando tocca il coperchio, che è più freddo?
2. b) Come si chiama questo passaggio di stato?
3. c) Trasformandosi in gocce, il vapore assorbe o cede calore?

Uscendo dalla doccia, Nico ha freddo anche se il bagno è caldo.

1. a) Quale passaggio di stato subisce l'acqua che rimane sulla sua pelle?
2. b) Da dove prende quell'acqua il calore necessario per il passaggio?
3. c) Usa le risposte precedenti per spiegare perché conviene asciugarsi subito con l'asciugamano.

L'acqua del mare evapora con il calore del Sole; il vapore sale, si raffredda negli strati alti dell'atmosfera e forma le nuvole; alla fine cade la pioggia.

1. a) Indica il passaggio di stato che subisce l'acqua del mare quando diventa vapore.
2. b) Indica il passaggio di stato che avviene quando si formano le goccioline della nuvola.
3. c) In ciascuno di questi due passaggi, l'acqua assorbe o cede calore? Chi glielo dà o glielo toglie?

Un cubetto esce dal congelatore a $-10\ ^\circ\text{C}$ e lo lasciamo su un piatto in cucina.

1. a) Fino a quale temperatura sale il ghiaccio prima di iniziare a fondere?
2. b) Come si chiama il passaggio di stato che subisce dopo?
3. c) In questo passaggio, l'acqua assorbe o cede calore?

L'acqua congela a $0\ ^\circ\text{C}$ e bolle a $100\ ^\circ\text{C}$. Indica in quale stato si trova l'acqua in ciascun caso e giustificalo. La figura colloca i tre casi su una scala di temperatura:

1. a) L'acqua della pista di ghiaccio, che è a $-3\ ^\circ\text{C}$.
2. b) L'acqua di un bicchiere, che è a $25\ ^\circ\text{C}$.
3. c) L'acqua che esce da una pentola, che è a $110\ ^\circ\text{C}$.

In una base scientifica in Antartide il termometro segna $-50\ ^\circ\text{C}$. Il mercurio congela a $-39\ ^\circ\text{C}$ e l'alcol a $-114\ ^\circ\text{C}$. La figura riassume i dati su una scala di temperatura.

1. a) Quale termometro funziona lì, quello al mercurio o quello all'alcol?
2. b) Che cosa succede al liquido dell'altro termometro, rendendolo inutilizzabile?
3. c) Come si chiama il passaggio di stato che subisce quel liquido?

Scaldiamo lentamente del ghiaccio che è a $-10\ ^\circ\text{C}$ fino a trasformarlo in vapore a $110\ ^\circ\text{C}$, misurando la temperatura per tutto il tempo. Il montaggio è quello della figura.

1. a) Fai un elenco dei cinque tratti del processo, indicando che cosa c'è in ciascun tratto (ghiaccio, acqua, vapore o miscela) e che cosa fa la temperatura.
2. b) In quali due tratti la temperatura non sale anche se continuiamo a fornire calore? A quali temperature avvengono?
3. c) In che cosa viene impiegato il calore durante quei due tratti?

Mettiamo nel congelatore una vaschetta per cubetti piena d'acqua e misuriamo la sua temperatura ogni cinque minuti: $20\ ^\circ\text{C}$, $12\ ^\circ\text{C}$, $5\ ^\circ\text{C}$, $0\ ^\circ\text{C}$… e per un bel po' continua a segnare $0\ ^\circ\text{C}$ mentre si forma il ghiaccio. Il grafico riporta le misure.

1. a) Tuo fratello dice che l'acqua dovrebbe passare da $0\ ^\circ\text{C}$ a $-5\ ^\circ\text{C}$ senza fermarsi. Chi ha ragione, lui o tu? Perché?
2. b) Mentre si sta formando il ghiaccio, l'acqua continua a perdere calore o no?
3. c) In che cosa viene impiegato il calore che l'acqua perde durante il passaggio di stato?

In montagna, l'acqua piovana si infiltra nelle fenditure delle rocce. Di notte congela e, a poco a poco, le fenditure si ingrandiscono finché la roccia finisce per spezzarsi. Osserva la figura.

Sapendo che l'acqua aumenta di volume quando congela, spiega come riesce a spezzare la roccia.

L'acqua è una sostanza particolare: congelando aumenta di volume, quindi il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida.

1. a) Spiega perché i cubetti galleggiano nel bicchiere.
2. b) In un lago in inverno, congela per prima la superficie o il fondo? Giustificalo.
3. c) Quale vantaggio ha questo per i pesci che vivono nel lago?

Sfida del tema. Come evitare che una bevanda calda perda energia rapidamente? Diventa un revisore energetico e progetta un isolante termico fatto in casa analizzando la trasmissione del calore.

1. Fase 1. Misura di base: Versa $150\text{ ml}$ di acqua calda (a circa $50\text{ }^\circ\text{C}$) in un bicchiere. Misura la temperatura ogni $4\text{ min}$ per $16\text{ min}$ con un termometro casalingo (annota la sua incertezza, per esempio $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Consulta sul sito del servizio meteorologico la temperatura attuale della tua località come riferimento ambientale.

2. Fase 2. Prototipo e prova: Scegli un materiale di uso quotidiano (carta di alluminio, lana o cartone) per rivestire il bicchiere. Ripeti l'esperienza partendo dalla stessa temperatura iniziale e registrando le misure agli stessi intervalli.

3. Fase 3. Relazione e conclusioni: Presenta una tabella di dati ed elabora un grafico della temperatura ($T$) in funzione del tempo ($t$) che confronti le due curve. Giustifica quale materiale frena meglio il raffreddamento ragionando a partire dall'equilibrio termico e dalla propagazione del calore.

Verrà valutato:

• Rigore nella raccolta dei dati, indicando l'incertezza e integrando la tabella e il grafico di confronto.

• Corretta distinzione concettuale tra calore, temperatura ed equilibrio termico nelle conclusioni.

• Giustificazione motivata dell'efficacia del prototipo rispetto alle perdite di energia.