Temperatura E Calore: conclusione del percorso

Si conclude, con questo post, il percorso sperimentale su Temperatura, Calore e il problema particellare della materia.

Tranquilli ragazzi! Queste sono risorse per i "grandi"!

Ecco il problema che sarà affrontato!



Ipotesi

Diciotto, su venti compagni, affermano che la quantità di acqua evaporata sarà maggiore nel becker 2, esposto a fiamma più alta. Andrea e Sonia affermano, invece, che la quantità sarà uguale in  entrambi i becker.

Materiale:

 - 2 becker uguali termo - resistenti
 - 2 fornellini a gas
 - 2 termometri a mercurio
 - 2 retine frangi -  fiamma
 - 2 treppiedi metallici
 - 200 ml d’acqua di rubinetto x 2
 - 4 piastrelle di ceramica
 - 2 mollette di legno
 - fiammiferi



Procedimento

•Abbiamo versato 200 ml d’acqua di rubinetto in ciascuno dei due becker.
•Abbiamo inserito i termometri nell’acqua, sospendendoli con una molletta di legno appoggiata trasversalmente in cima a ciascun becker, facendo attenzione che non toccassero il fondo.
•Abbiamo posizionato ciascun becker sul relativo fornello, separato da questo per mezzo della retina frangi - fiamma.
•I fornelli sono stati posti su delle mattonelle di ceramica, che hanno fatto da isolante rispetto al piano del tavolo.
•Alle ore 11:24, abbiamo acceso contemporaneamente i due fornelli.
•Abbiamo regolato il fornello del  primo becker a fiamma più bassa di quella del secondo becker.
•Abbiamo iniziato l’osservazione rilevando le temperature dei due contenitori ogni due minuti, registrando i valori nella tabella 1 e realizzandone un grafico comparato.
•Nelle tabelle 2 e 3 abbiamo messo a raffronto i valori della temperatura con quelli progressivi del volume di acqua, rilevati in ciascuno dei due becker.
•Alle 11.50, abbiamo spento i due fornelli, continuando a registrare, nelle tabelle, i valori della temperatura durante il raffreddamento e quelli del volume dell’acqua.

Tabella 1

I dati, in realtà sono stati registrati fino alle ore 17.00

Con essi abbiamo realizzato il seguente grafico comparato.

Tabella 2

Becher 1( fiamma bassa)

Tabella 3

Becher 2(fiamma alta)

La temperatura anche qui è stata registrata fino alle ore 16.00.

Osservazioni:

- Il contenuto del primo becker non è andato in ebollizione  entro i limiti di tempo fissati, prima dello spegnimento dei fornelli, mentre il contenuto del  secondo sì.
- L’ebollizione è avvenuta a 99,5 °C, nel becker 2. Dal grafico comparato, risulta che l’aumento della temperatura nel primo contenitore è graduale, mentre la temperatura si innalza velocemente nel secondo contenitore.
- Osserviamo che le temperature iniziali, differenti di tre gradi centigradi nei due becker, si mantengono diverse fra di loro ma  quasi uguali a quelle iniziali, a raffreddamento avvenuto.
- Alle 12.04, dopo lo spegnimento dei fornelli, la temperatura del primo becker  si è abbassata di 20 °C, quella del secondo di 26 °C.
- Osserviamo che, nel becker 1, il volume dell’acqua decresce progressivamente a partire da circa 73 °C; precedentemente non abbiamo rilevato aumento di volume.
- Nel becker 2, esposto a fiamma più alta, si osserva un leggero aumento di volume, intorno agli 80 °C, che si mantiene finchè non inizia l’ebollizione.
- Dopo lo spegnimento dei fornelli, avvenuto alle 11.50, il volume dell’acqua continua a contrarsi in entrambi i becker.
- Alle 17, quando i sistemi si sono raffreddati a circa 24 °C, il volume del primo becker è di circa 175 ml, mentre il volume del secondo è di circa 160 ml.

 Discussione collettiva e conclusioni:

- Abbiamo discusso molto sul fatto che il volume dell’acqua non aumentasse in entrambi i contenitori con il procedere del riscaldamento, ma, ad un certo punto, soltanto nel becker 2.
- Altro punto di discussione: la diminuzione del volume dell’acqua nel primo becker, intorno ai 73 °C  senza il raggiungimento dell’ebollizione, mentre lo stesso fenomeno si è manifestato nel secondo becker a partire dall’ebollizione.
- Cominciamo a pensare che il modello particellare così semplificato, come lo abbiamo ipotizzato, non riesce a spiegare tutti i comportamenti oppure sì ma non ne cogliamo del tutto le implicazioni.
- Ci siamo resi conto che quando si studia un fenomeno sorgono sempre aspetti imprevisti, che fanno scaturire nuove domande.
- Comunque, i risultati finali osservati ci fanno concludere che l’ipotesi generale è giusta: la quantità d’acqua evaporata dipende dal calore fornito.


Becker 1 (fiamma bassa)

Vi = 200 ml
Vf = 175 ml
Vi – Vf = 200 ml – 175 ml = 25 ml


Becker 2(fiamma alta)

Vi = 200 ml
Vf = 160 ml 
Vi – Vf = 200 ml – 160 ml = 40 ml

- Il calore, dunque deve essere in relazione alla velocità acquistata dalle particelle: una maggiore quantità di calore “velocizza” l’evaporazione ;
- in tempi uguali, in masse uguali d’acqua, esposte ad una diversa intensità di fiamma, ‘si registra un passaggio allo stato aeriforme’  che dipende dalla quantità di calore assorbito dall’acqua.                                      

Altre domande aperte:

•Come mai, in alcuni punti c’è poca differenza tra le temperature dell’acqua nei due diversi becker?

•Perché il raffreddamento dell’acqua è così lento?

•Perché le temperature iniziali nei due becker, ancora una volta, sono diverse?

Nota didattica: l’argomento non è facile da trattare per il forte grado di astrazione che comporta l’immaginare un modello particellare della materia, all’età mentale peculiare dei ragazzi di seconda media. Pertanto, non mi pongo il problema di verificare con i ragazzi “che le particelle ci sono e si muovono”.
Quello che mi preme e che mi sono posto come obiettivo è che i ragazzi siano in grado di correlare tra loro una causa ( nella fattispecie le particelle) con un effetto ( i fenomeni di cui ci stiamo occupando) ricorrendo ad un modello che sia coerente con i fenomeni osservati e che nello stesso tempo sia ‘validato’ da questi stessi fenomeni, oggetto di studio.

E, secondo il mio punto di vista, naturalmente opinabilissimo, a 12/13 anni, perseguire un obiettivo del genere non è una cosa di poco conto.

Direi che i ragazzi, superata una diffidenza iniziale circa l’esistenza delle particelle, adesso non hanno messo più in discussione il fatto( dopo lo studio di alcuni fenomeni che , anche se in maniera indiretta, sono stati messi in relazione con la loro esistenza e con il loro comportamento, in situazioni particolari) e si sono appassionati alla tematica in un modo che non avrei immaginato, all’epoca della programmazione. " 

Bene il percorso è veramente finito!

Al prossimo post!