Fenomeni termici
Introduzione,
obiettivi e prerequisiti | metodologia
e attività |nodi concettuali e problemi
di apprendimento | schede
di lavoro | approfondimenti
e parole chiave| I thermos
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
- 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.
- 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
- 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):
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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 |
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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), |
- 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
- 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. |
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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.
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