Fenomeni termici

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LA SENSAZIONE TERMICA

Quando tocchiamo un oggetto, la percezione di caldo o di freddo che ne ricaviamo, spesso ingenuamente attribuita (anche negli adulti) esclusivamente ad una proprietà dell’oggetto, in realtà è il risultato di una relazione complessa che coinvolge tutti i sistemi tra loro in contatto ed in particolare l’oggetto stesso, la mano e quindi il corpo umano, l’ambiente. Solo imparando a riconoscere queste interazioni ed a guardarle in termini di flusso di calore scambiato è possibile interpretare situazioni in apparenza tra di loro contraddittorie, come il fatto che normalmente un oggetto di metallo è percepito più freddo di uno in legno, ma se sono esposti ad una sorgente di calore la sensazione termica si capovolge.
Il confronto tra sensazione termica e temperatura dell’oggetto va quindi accompagnato da indagini sulla temperatura corporea e la conducibilità dei materiali (vedi sopra).

Fasi dell’attività
  1. Caldo o freddo? (scheda studente n.2 prima parte)

In gruppo

Toccare oggetti costituiti da materiali diversi disposti sul banco e presenti da tempo nell’aula; ordinarli sulla base delle sensazioni dal più caldo al più freddo; misurarne successivamente la temperatura.

Con l’intera classe:

Confrontare i risultati delle sensazioni, che non sempre sono uguali per tutti; indagare sulle possibili cause di differenza di temperatura registrate tra un oggetto e l’altro. C’è la tendenza ad interpretare eventuali variazioni di uno o due gradi come una conferma della propria sensazione. Vanno quindi evidenziate le cause d’errore nella misura (sensibilità dello strumento, modalità di misurazione, soprattutto tenendo conto del fatto che il bulbo del termometro viene solo appoggiato sugli oggetti e non inserito in essi…)

Proposte per la discussione

  • Rievocare esperienze in cui un oggetto in metallo scotta.
  • Toccare un oggetto di metallo ed uno di legno lasciati all’ombra, successivamente toccarli dopo averli esposti al sole
  • Tenere in mano per un certo tempo un oggetto di metallo ed osservare che in un primo tempo lo si percepisce come freddo, successivamente scompare questa sensazione. Ripetere la prova con un oggetto di legno (c’è bisogno di un certo tempo perché si stabilisca un equilibrio tra i sistemi oggetto/corpo/ambiente, raggiunto il quale non si avverte più differenza tra la temperatura del ferro e quella del legno. La temperatura non è quindi una proprietà tipica dei materiali
  • Misurare con il sensore on line la temperatura di oggetti diversi, proiettando su un grande schermo il grafico.
  1. La memoria della sensazione (scheda studente n.2 seconda parte)

In gruppo

Confrontare le sensazioni termiche provate immergendo una mano in acqua a temperatura ambiente (n.1) dopo averla precedentemente tenuta in acqua riscaldata (n.2); ripetere la prova dopo aver tenuto la mano in acqua prelevata dal frigorifero(n.3)

Perché sentiamo il ferro freddo e il legno caldo

Con l’intera classe:

Effettuare le seguenti esperienze con il sistema di registrazione dati in tempo reale (grande schermo):

  • misurare la temperatura del ferro e del legno (ad esempio in un martello)
  • misurare contemporaneamente la temperatura delle due mani (con due sensori) per verificare che non c’è una differenza sensibile.
  • misurare la temperatura di una mano, toccando contemporaneamente con l’altra il ferro, spostare velocemente il sensore nella mano che è stata in contatto con il ferro
  • misurare la temperatura di una mano, toccando contemporaneamente con l’altra il legno, spostare velocemente il sensore nella mano che è stata in contatto con il legno
Dati raccolti e loro interpretazione
  1. Caldo o freddo?

Sequenza (dal più caldo, a sinistra, al più freddo, a destra) secondo il gruppo1

Sequenza (dal più caldo, a sinistra, al più freddo, a destra) secondo il gruppo1

Temperature registrate con il termometro a mercurio(al°C):

 

metallo

legno

vetro

plastica

lana

cotone

ceramica

segatura

sabbia

polistirolo

T (°C) gruppo1

21

22

21

23

23

21

22

22

20

23

T (°C) gruppo2

22

23

21

22

21

23

22

23

21

22

 

Per i primi 100s il sensore registra la temperatura dell’aria

tra it=100s e t= 200s è a contatto con la sabbia

tra t=200s e t= 300s è a contatto con la segatura

tra t=300s e t=400s è a contatto con il polistirolo.
La temperatura resta praticamente costante nel tempo (tra i 21,3°C ed i 20,9°C),

  1. Memoria della sensazione :

 

SENSAZIONE TERMICA

T (°C)

Acqua 1 (T ambiente)

tiepida

22

Acqua 2 (riscaldata)

molto calda

60

Acqua 3 (da frigo)

fredda

8

Con la mano tenuta prima in acqua calda, l’acqua a temperatura ambiente è percepita come fredda
Con la mano tenuta prima in acqua fredda, l’acqua a temperatura ambiente è percepita come calda

  1. Perché sentiamo il ferro freddo e il legno caldo

 

Linea rossa: temperatura del legno
Linea blu: temperatura del ferro
I sensori registrano una differenza massima tra le due temperature di 0,2°C.

 

 Linea rossa: temperatura della mano destra
Linea blu: temperatura della mano sinistra.
Dopo 30s dall’inizio dell’acquisizione dati è stato preso un sensore per mano. Al raggiungimento dell’equilibrio termico si registra una differenza di 0,2°C tra una mano e l’altra.

 

 Il sensore è tenuto nella mano sinistra per 100 s dall’inizio dell’acquisizione dati, intanto con la mano destra si impugna la testa in metallo del martello. Dopo 100s il sensore è spostato nella mano destra, dove viene tenuto per i successivi 100s.
La temperatura della mano sinistra è di 34,8°C, scende in 16s di 4,2°C quando si passa il sensore nell’altra mano che ha toccato il ferro, per poi risalire.

 

 

 Il sensore, inizialmente a temperatura ambiente, è preso nella mano sinistra dopo 13s fino a 100 s dall’inizio dell’acquisizione dati. Contemporaneamente con la mano destra si impugna il manico del martello. Dopo 100s il sensore è spostato nella mano destra, dove viene tenuto per i successivi 100s La temperatura della mano sinistra è di 34,0°C, scende in 15s di 1,0°C quando si passa il sensore nell’altra mano che ha toccato il legno, risale poi lentamente.

Dai grafici risulta evidente che la sensazione di freddo che si avverte toccando la testa del martello è il risultato della sottrazione del calore dalla mano operata dall’oggetto in ferro che, avendo un’elevata conducibilità, trasmette rapidamente il calore della mano all’interno della sua massa ed all’ambiente circostante.
L’effetto è molto meno evidente per il legno, data la sua bassa conducibilità termica.