I fenomeni termici

 

Elementi da prendere in considerazione per la costruzione di un percorso didattico

 

Leonardo Barsantini

           

            Quali sono gli elementi che permettono di costruire un percorso didattico? Se guardiamo un qualunque libro di testo la risposta che ne ricaviamo è che, partendo dalla disciplina e “semplificando” opportunamente, si possa ottenere un lavoro presentabile ai ragazzi sia della scuola dell’obbligo sia della scuola secondaria. Ritengo, al contrario, che si debba procedere in tutt’altro modo. La costruzione di percorsi didattici richiede una riflessione che coinvolge, oltre alle competenze disciplinari, anche conoscenze storiche, epistemologiche e psicopedagogiche. Qui di seguito ho voluto mostrare quanto sia importante, nel caso dei fenomeni termici, fare riferimento a tutti gli elementi citati in precedenza allo scopo di realizzare percorsi utili alla costruzione di conoscenze in classe. Questo non significa che operando in tal modo si ottiene il metodo infallibile per l’insegnamento delle discipline scientifiche – anche perché ogni insegnante dovrà pur sempre lavorare in classe per sperimentare e mettere a punto l’eventuale proposta - ma sicuramente si percorre una strada che offre maggiori possibilità di successo. Al contrario, la strada tradizionale, offre l’insuccesso certo.

 

1. La nascita del termometro

 

            Le sensazioni percettive di caldo e di freddo sono alla base della nascita del concetto di temperatura, però, se le sensazioni sono immediate, altrettanto non si può dire per lo sviluppo del concetto di temperatura.

La temperatura si costruisce di pari passo con lo sviluppo del termometro (uno degli strumenti che hanno permesso la rivoluzione scientifica del XVII secolo), ma per avere i primi termometri ad aria bisognerà attendere il ‘600.

            La graduazione delle sensazioni di caldo e freddo in quattro gradi era già stata proposta da Galeno (129-201), che si pose il problema di definire una scala prima ancora di aver ideato uno strumento adatto allo scopo. In questa prima intuizione si può intravedere il tentativo di ricondurre le sensazioni di caldo e freddo a un'unica “grandezza fisica”.


            Gli scienziati ai quali, più di altri, si attribuisce la paternità del termometro sono: Santorre Santorio (1561-1636), Galileo Galilei, Cornelius Drebbel (1572-1634) e Robert Fludd (1574-1637). Lo strumento sul quale lavorarono questi, e altri ricercatori, era un termoscopio, cioè un termometro ad aria. La struttura di base può essere considerata un globo di vetro collegato a un lungo cannello cilindrico. Questo era immerso in un vaso pieno d’acqua. Le variazioni di temperatura subite dall’aria nel globo di vetro, provocavano delle variazioni di altezza del livello dell’acqua contenuta nel vaso.

 


            Per permettere una risalita parziale dell’acqua nel cannello collegato al globo, si scaldava il globo stesso in modo da far fuoriuscire parte dell’aria attraverso l’acqua del vaso. Lo strumento serviva per determinare la temperatura delle persone: il globo poteva essere introdotto in bocca, vi si poteva alitare sopra, opportunamente appiattito poteva misurare la temperatura di diverse parti del corpo oppure poteva essere tenuto stretto fra le mani.

            Giovanni Francesco Sagredo (1571-1620), in una lettera a Galileo del 30 giugno 1612, parla dello strumento costruito da Santorre Santorio. Questo strumento non ha una scala. A Santorio spetta, quindi, probabilmente, la priorità dell’invenzione del termometro. Santorio, concentrando i raggi luminosi della luna, per mezzo di uno specchio, sul termometro, pensò addirittura di determinare la temperatura del satellite della Terra.

Si deve in ogni modo tener presente che il limite di tutti questi strumenti era la loro dipendenza dalla pressione atmosferica.

 

2. Lo sviluppo del termometro

 

La necessità di eliminare i problemi connessi con la pressione atmosferica, nel termometro ad aria, portò allo sviluppo del termometro a liquido da parte dell’Accademia del Cimento (1657 – 1667). Il termometro, essendo sigillato, non risentiva dagli effetti della pressione atmosferica, inoltre non permetteva l’evaporazione del liquido contenuto.

Fra il 1643 e il 1666 nasce, quindi, il termometro fiorentino, ma probabilmente già dal 1641 si costruivano termometri ad alcool. L’alcool era stato scelto perché più sensibile alle variazioni termiche dell’acqua e inoltre non lasciava depositi.

Le scale di graduazione dei termometri erano già presenti nei termometri ad aria, ma quando il termometro si diffonde in tutta Europa ci si rende conto che la taratura e la riproducibilità dei termometri deve passare attraverso l’individuazione di due punti fissi.

Già Santorio, nel tarare i suoi termometri ad aria, aveva utilizzato come punti fissi la neve per quello inferiore e la fiamma di una candela per quello superiore. Gli Accademici del Cimento avevano notato la costanza della temperatura del punto di fusione del ghiaccio. Robert Hooke sapeva che la temperatura di fusione del ghiaccio è costante dal 1664, e nel 1684 che anche la temperatura di ebollizione dell’acqua è costante e propose di tarare la scala dei termometri su tali punti fissi.

Fra le varie scelte che furono fatte per i due punti fissi si può rammentare: la temperatura di fusione del burro, la temperatura dei sotterranei dell’Osservatorio di Parigi, la temperatura di congelamento dell’olio essenziale di semi di anice, la temperatura di ebollizione dell’alcool puro, il freddo della neve, la massima attività dei raggi solari, la temperatura del corpo umano.

Nella taratura si ponevano anche problemi dovuti al fatto che i tubi non erano di sezione costante per tutta la loro lunghezza, per la presenza dell’aria nella parte superiore del tubo termometrico e per la presenza di umidità. Inoltre la temperatura di ebollizione dell’acqua “pura” può ritenersi costante soltanto se si fissa la pressione atmosferica, e quindi le ricerche sulla temperatura s’intrecciano con quelle sulla pressione come è stato messo in evidenza anche per il termometro ad aria.

In questa fase i concetti di temperatura e calore sono confusi e mescolati fra loro. Carlo Renaldini (1615-1699), che pure propone per i due punti fissi la temperatura di fusione del ghiaccio e la temperatura di ebollizione dell’acqua, riteneva che l’acqua “gelida” non avesse alcun grado di calore. Boerhaave e Fahrenheit (1686-1736) pensavano che esistesse una temperatura minima possibile prodotta mescolando ghiaccio tritato e sale ammonico.

Si tenga presente che, anche se qui si parla di temperatura e calore, gli scienziati dell’epoca con riferimento alla grandezza misurata usavano espressioni del tipo: “gradi del caldo e del freddo”, “mutazioni del caldo e del freddo”.

Nel settecento si sviluppano le tecniche relative alla costruzione del termometro. Reaumur (1683-1757), come riportato nelle sue memorie del 1730, realizzò termometri togliendo parte dell’aria presente nel tubo per mezzo della dilatazione della colonna di liquido contenuto e poi sigillando il tubo termometrico. Assegnò il valore zero al punto di congelamento dell'acqua e 80 al punto di ebollizione.

Nollet (1700-1770) costruì termometri a mercurio giudicandoli più pratici. Poiché il mercurio si dilata meno dell’alcool introdusse i tubi capillari. Col termometro a mercurio si possono misurare temperature nell’intervallo compreso da –38°C a +350°C circa, con i termometri ad alcool si possono misurare temperature inferiori. L’acqua non può essere utilizzata quale liquido per termometri.

Furono fatti studi anche per verificare se le sostanze termometriche perdevano la loro capacità di dilatarsi col tempo.

Nel 1742 Celsius comunica la costruzione di un termometro che ha come zero la temperatura di ebollizione dell’acqua e come 100 la temperatura di congelamento dell’acqua. L’inversione della scala è stata fatta da Strömer nel 1743.

Fino al 1740 non era ancora comune tarare i termometri tramite due punti fissi e nel 1777 i termometri della Royal Society presentavano una differenza di circa 2°C nell’indicazione della temperatura di ebollizione dell’acqua. Nella seconda metà del settecento si contavano 19 diverse scale termometriche.

 

3. Il calorico

 

            Anche se dai paragrafi precedenti si può aver avuto l’impressione che tutti i problemi fossero relativi alla costruzione del termometro, in realtà la difficoltà maggiore stava nel capire cosa misurava il termometro.

            Galileo spiegava la dilatazione dell’aria per mezzo di atomi di fuoco. Modelli analoghi erano condivisi da Torricelli e Borelli che ritenevano gli atomi di fuoco i responsabili della dilatazione dell’acqua nella quale erano introdotti. Questo non era però l’unico modello accettato. Per alcuni la dilatazione dei liquidi era dovuta alla presenza di molecole d’aria che si erano insinuate all’interno. Questo meccanismo trovava giustificazione nel fenomeno dell’ebollizione dove apparivano molte bollicine ritenute d’aria. Niccolò Aggiunti (1600-1635) riteneva che il calore non agisse sui corpi, ma sull’aria che si faceva poi tramite per i corpi solidi e liquidi. All’Accademia del Cimento si cercava di capire se esistevano le particelle del freddo o se questo era dovuto alla mancanza delle particelle del calore.

            La costruzione del termometro portò molti fisici a individuare nella temperatura ottenuta col termometro, la misura del calore posseduto dal corpo. In realtà in molti casi quello che osservavano era proprio l’aumento della temperatura di un corpo a mano a mano che gli si forniva calore.

            A partire dalla metà del settecento s’iniziarono esperimenti tendenti a determinare la temperatura finale di miscugli di masse d’acqua a temperature diverse ottenendo la legge, riproposta da Richmann ma conosciuta anche in precedenza, T=(m1t1+m2t2)/(m1+m2), con m masse dei corpi, t temperature dei corpi e T temperatura finale. Lo svedese J. O. Wilche, nel 1772, si accorse che la neve presente in un cortile, non si scioglieva utilizzando la quantità d’acqua calda calcolata in base alle leggi ricavate dagli studi sui miscugli di masse d’acqua a temperature diverse.

            Anche Joseph Black (1728-1799) effettuò la stessa scoperta, ponendo quindi in evidenza una prima distinzione fra temperatura e calore, e osservando che nei passaggi di stato, pur continuando a scaldare il corpo, il termometro segna una temperatura costante.

            Black introdusse allora la nozione di calore latente necessario al cambiamento di stato. In quest’ottica si riteneva che la temperatura misurasse il “calore libero”, ma non quello “latente”.

            E’ interessante osservare come Black giustificasse il cambiamento di stato da acqua a ghiaccio, senza variazione di temperatura, sostenendo che la fusione immediata del ghiaccio provocherebbe catastrofi, inondazioni e sciagure.

Si pensò allora possibile determinare il contenuto in calore dei corpi in una visione che faceva riferimento al fluido calorico. In ogni modo, attorno alla metà del settecento i modelli che cercavano di spiegare la natura del calore erano due: quello corpuscolare e quello fluidista. Alcuni scienziati, quali Lavoisier e Laplace, erano schierati a favore di modelli misti. E’ negli ultimi decenni del XVIII secolo che si afferma la concezione fluidista.

Le ricerche sui miscugli ottenuti mescolando liquidi diversi, quali l’acqua e il mercurio, misero in evidenza la difficoltà di calcolare il valore finale di temperatura in base alle leggi ricavate studiando i miscugli formati da sola acqua. Ciò spinse sempre Black a introdurre i calori specifici. Si tenga presente che una concezione molto diffusa riteneva che i corpi contenessero calore proporzionalmente alla loro massa. Altri lavoravano con i volumi, piuttosto che con le masse, ritenendo valida la teoria di Boerhaave sulla distribuzione uniforme del calore.

Anche Wilcke nel 1770, indipendentemente da Black, mise in evidenza che il calore contenuto in un corpo non dipende né dal suo volume, né semplicemente dalla sua massa, e introdusse la capacità termica. Anche se il concetto di calore della fine del settecento non coincide con quello attuale, si apre qui la strada che dal calorico porterà all’energia. Dalle prime ricerche sul termometro sono passati quasi due secoli.

 

4. Le concezioni sui fenomeni termici

 

            Gli studi compiti da E. Albert, e riportati nel testo di Cavallini, hanno messo in evidenza come i bambini si avvicinano ai fenomeni termici. Bambini di due anni, ad esempio, non sono in grado di distinguere tra corpi caldi e sorgenti di calore. A partire dai cinque anni si ha l’identificazione della sorgente di calore rispetto al corpo riscaldato. Attorno ai sette – otto anni nasce la consapevolezza che uno stesso corpo può essere caldo o freddo e che è necessario agire in qualche modo per scaldare il corpo. Verso gli otto-nove anni le sensazioni di caldo e freddo possono essere accomunate abbandonando così la visione che le vede contrapposte. I bambini iniziano allora a introdurre una distinzione fra i vari gradi del calore.

            Cavallini, però, fa presente che la tradizione anglosassone, al contrario di quella italiana, permette di acquisire un’esperienza, ad esempio cucinando cibi fino dalle scuole primarie, che i nostri bambini non hanno neppure nella scuola media.

            Vediamo quali sono le opinioni più comuni presenti spesso anche negli adulti.

 

Il calore

Pensando al calore come a una grandezza di stato si finisce per ritenere che le sorgenti classiche di calore siano le stufe, i forni, il fuoco, il sole. Il calore è confuso con l’aria o il vapore oppure si ritiene che esistano delle particelle di calore. I corpi di dimensioni maggiori hanno la capacità di accumulare maggiori quantità d’aria facilitando la propagazione del calore. Però per molti, la dimensione degli oggetti non è la caratteristica da prendere in considerazione, infatti, i metalli, essendo compatti, non permettono l’accumulo di aria e quindi sono freddi. Da questo punto di vista si spiega anche la maggiore facilità nel fondere le sostanze malleabili. E’ spesso presente una distinzione fra calore caldo e calore freddo che colloca le due sensazioni su piani contrapposti. Non tutti i corpi, poi, sono ritenuti capaci di riscaldarsi.

 

La temperatura

            Per molti studenti la temperatura di un oggetto frazionato in più pezzi si divide fra le varie parti. Anche la temperatura di un corpo è messa in relazione con le sue dimensioni, così come accade per il calore. Unendo due masse d’acqua, mantenute, ad esempio, una a 40°C e l’altra a 30°C, alcuni pensano che la temperatura finale sia pari a 70°C, altri a 10°C. Pur avendo esperienza diretta di stanze riscaldate si finisce per credere che una stanza a una certa temperatura, se scaldata da una stufa alla stessa temperatura, raggiunga temperature maggiori; stanze più piccole poi raggiungono temperature ancora più elevate. Gli studenti fanno fatica a comprendere che gli oggetti di una stanza all’equilibrio termico hanno tutti la stessa temperatura.

 

Il ghiaccio

            Ci si esprime nei termini di un trasferimento di freddo piuttosto che nei termini di una sottrazione di calore: il ghiaccio cede il freddo. Quindi il ghiaccio non può fornire calore e non è considerato una sorgente di calore per corpi a temperatura inferiore. Alcuni, pensando alla temperatura di solidificazione dell’acqua a 0°C, ritengono che quella sia l’unica temperatura del ghiaccio e 0°C sono considerati equivalenti a un calore nullo. Un cubetto di ghiaccio su una tavoletta di ferro si pensa che si sciolga più lentamente di uno su una tavoletta di legno.

 

L’ebollizione

E’ difficile capacitarsi del fatto che la temperatura dell’acqua in ebollizione resta costante. La conoscenza della costanza della temperatura all’ebollizione, non esclude che si possa raggiungere l’ebollizione con qualunque temperatura purché si aspetti un tempo sufficientemente lungo. Inoltre, sempre durante l’ebollizione, i ragazzi ritengono che la temperatura dell’acqua sia maggiore se il fuoco sotto la pentola è più intenso. L’ebollizione, per molti, inizia con la formazione delle prime bollicine.

 

I termometri

Il caldo, rendendo più leggeri i liquidi, permette loro di raggiungere un’altezza maggiore nella colonna termometrica. La temperatura che si misura con i termometri da esterno non è la stessa grandezza di quella misurata con i termometri da febbre. Inoltre, nei termometri da febbre la temperatura misurata dipende dal valore di partenza segnato dalla colonna di mercurio.

 

Isolanti e conduttori

            Molti ragazzi ritengono che i recipienti di metallo, considerati più freddi, conservino il ghiaccio meglio di altri materiali: la “compattezza” del metallo è ritenuta più idonea a contrastare l’ingresso al calore proveniente dall’esterno. Molti ritengono, adulti compresi, che il ghiaccio avvolto in un maglione, o in una coperta di lana. si sciolga più velocemente.

 

Interazioni col corpo umano           

Non si riflette sul fatto che nelle sensazioni termiche anche il corpo prende parte all’interazione. Molti ragazzi credono che in estate la temperatura esterna sia superiore a quella del corpo.

             

            Pur sottolineando il fatto che gli studenti non hanno in testa teorie di riferimento coerenti che possano essere comparate a teorie quale quella del calorico, è interessante notare come alcune delle concezioni presenti nei ricercatori del XVII e XVIII secolo siano presenti tutt’oggi.

 

5. La temperatura e il calore oggi.

 

            La temperatura è un indice dell’energia interna di un sistema. Con il termine calore si indica il trasferimento di energia fra oggetti con temperature diverse.

L’interpretazione dei fenomeni termici nei termini dell’energia potrebbe rendere superfluo parlare di calore, però non possiamo sottrarci dall’affrontare un’analisi di questi fatti in termini di calore perché questa parola fa parte del parlare quotidiano, anche sé, come spesso accade, la confusione nasce proprio dal diverso significato che si attribuisce alla stessa espressione in ambiti diversi.

E’ utile distinguere fra grandezze estensive e intensive. Sono grandezze estensive il calore e l’energia, mentre la temperatura è una grandezza intensiva. D’altra parte la temperatura e l’energia sono grandezze che descrivono lo stato di un sistema, mentre il calore caratterizza l’interazione fra sistemi.

Il calore, in quanto grandezza estensiva si aggiunge all’energia interna dell’oggetto verso il quale avviene il trasferimento, o si sottrae nel caso contrario. Per la temperatura, essendo questa una grandezza intensiva, non si ha la somma o la sottrazione delle temperature dei corpi venuti a contatto, ma piuttosto una media.

Il trasferimento di calore verso un corpo può essere accompagnato da una variazione di temperatura, ma si può anche costatare la costanza della temperatura se si è in presenza di un cambiamento di stato (è anche possibile che il sistema non vari temperatura, se si ha un bilancio fra il calore fornito al sistema e il lavoro fatto da questo).

E’ comunque opportuno parlare di “trasferimento di calore” piuttosto che di “calore”. Sono invece assolutamente da scartare espressioni del tipo “quantità di calore contenuta in un corpo” perché in questo caso non si ha a che fare col calore, ma con l’energia interna. Anche l’espressione “conversione di lavoro in calore”, ad esempio nel caso d’attrito, è inesatta perché in realtà il lavoro va a variare l’energia interna.

Con energia interna si intende la somma dell’energia di tutte le molecole che compongono il corpo. In questa ottica particellare, la temperatura è un indice dell’energia media delle molecole che compongono il sistema. Per cui due masse diverse di ferro, ad esempio, possono avere la stessa temperatura, ma diversa energia interna, e unendole assieme, si ottiene una massa di ferro che ha la stessa temperatura dei due oggetti presi singolarmente. Il trasferimento di calore fra oggetti si ha in base alla temperatura e non all’energia interna.

 

6. Il percorso didattico

 

            La confusione fra temperatura e calore, ritenendo quest’ultimo l’espressione di uno stato, crea gravi problemi. Il fatto è che c’è la tendenza a organizzare la conoscenza con la categoria delle proprietà degli oggetti, piuttosto che con le interazioni fra sistemi – specie quando uno di questi sistemi è il corpo umano. E’ quindi necessario procedere valorizzando gli indizi, affinché gli studenti appuntino la loro attenzione sugli elementi ritenuti significativi, tenendo conto che le concezioni di senso comune esercitano un forte ancoraggio. Inoltre queste concezioni sono fortemente condizionate dai contesti.

            Questo lavoro deve partire dalla scuola elementare per poi svilupparsi a tappe successive attraverso la scuola media – siamo all’interno della nuova scuola primaria – per arrivare a compimento nel biennio obbligatorio della scuola secondaria. Questo non significa che al termine dell’obbligo scolastico gli studenti debbano aver fatto tutte le leggi della termodinamica, ma piuttosto che sia stato permesso loro di affrontare un itinerario coerente che metta ordine sui concetti di base di temperatura e calore. E’ la capacità di guardare ai fenomeni che ci circondano in modo non contraddittorio – e non mi riferisco solo ai fenomeni di tipo scientifico – che interessa, e non l’enunciazione a memoria delle tante leggi della fisica.

            Vediamo allora alcune indicazioni per lo sviluppo di un percorso sui fenomeni termici nella scuola dell’obbligo[1].

 

La combustione

            Classe III della scuola primaria

1.      Identificazione delle sostanze combustibili.

2.      Necessità di un innesco.

3.      Le sostanze combustibili si consumano: alcune lasciano tracce – cenere -, altre come l’alcol non lasciano tracce.

4.      Emissione di fumo da parte di alcune sostanze.

5.      Diversa velocità di combustione da mettere in relazione con la difficoltà d’innesco.

6.      Durante la combustione si ha emissione di luce e calore, inteso, quest’ultimo, come trasferimento di “qualcosa” dal luogo della combustione verso l’esterno.

Gli studenti sono portati a fornire una “definizione operativa” di combustione e di sostanza combustibile attraverso l’osservazione e la classificazione di alcune sostanze e delle loro proprietà. Ciò è ben diverso dal mostrare il fenomeno e fornirne una definizione puramente linguistica.

 

L’evaporazione

            Classe IV

1.      Descrizione del riscaldamento dell’acqua.

2.      Definizione del fenomeno dell’ebollizione dell’acqua.

3.      Che cos’è il “fumo”.

4.      Ebollizione e condensazione.

5.      Che cosa sono le bolle che si formano durante il riscaldamento dell’acqua.

6.      L’acqua bolle a una temperatura determinata.

7.      L’evaporazione dell’acqua.

Se, prima di questo, si sviluppa un percorso sulle soluzioni si può mostrare come sia possibile riottenete le sostanze sciolte in acqua, ad esempio sale, facendo evaporare o bollire l’acqua. Adesso è necessario sviluppare un percorso specifico per iniziare una prima concettualizzare dei fenomeni termici. Anche in questo caso si deve fornire una definizione operativa dell’ebollizione attraverso l’attenta osservazione e la descrizione delle varie fasi del riscaldamento dell’acqua. L’introduzione del processo inverso dell’ebollizione, la condensazione, permette di mettere in evidenza i due fenomeni, fra loro reversibili, del riscaldamento e del raffreddamento. Anche se in modo descrittivo, si pongono le basi per una prima analisi sulla “struttura della materia” intrecciandola con i fenomeni termici. Il termine calore fa sicuramente parte del linguaggio comune ed è quindi importante che si ponga l’accento sul “trasferimento di calore”. Il termometro è uno strumento conosciuto dai bambini, e può essere utilizzato senza darne una giustificazione nello studio dell’ebollizione dell’acqua. Oltre a osservare con attenzione il funzionamento dello strumento, si possono ricavare i dati per costruire un grafico della temperatura dell’acqua in funzione del tempo, ma soprattutto si può proporre la situazione problematica dell’ebollizione dell’acqua, permettendo agli studenti di scoprire la costanza della temperatura. Si può infine indagare l’evaporazione dell’acqua contenuta in recipienti mantenuti a temperatura ambiente e confrontare la diversa velocità di evaporazione rispetto a contenitori posti presso sorgenti cosiddette di calore.

 

La fusione

                Classe V

1.      La fusione del ghiaccio.

2.      La solidificazione dell’acqua.

3.      La fusione e la solidificazione di altre sostanze: burro, cera, stagno, paraffina.

4.      Variazione del volume durante il riscaldamento o la fusione.

Lo studio dei cambiamenti di stato è introdotto con il percorso sull’evaporazione, ma è opportuno che queste tematiche siano riprese e approfondite per puntualizzare ulteriormente le differenze fra la temperatura e il calore. Lo studio di materiali diversi nei passaggi di stato mette in evidenza l’importanza di fornire o togliere calore, grandezza di interazione, rispetto alla temperatura del corpo, grandezza di stato. Lo scambio di calore avviene fra sistemi a temperatura diversa, da quello a temperatura maggiore verso quello a temperatura minore. Le misure effettuate sul ghiaccio, mettono in evidenza che la sua temperatura può essere inferiore a 0°C.

            Il riscaldamento o la fusione di una sostanza provocano una variazione di volume, al contrario di ciò che accade per il peso. L’acqua mostra un comportamento anomalo rispetto ad altre sostanze: il volume del ghiaccio è maggiore del volume dell’acqua.

 

I fenomeni termici

            I - Classe VII

            Dopo il lavoro svolto nelle classi precedenti, è necessario tirare le fila per riflettere nuovamente sui fenomeni studiati e inquadrarli all’interno di una visione semplice ma coerente che si basi sui due concetti di temperatura e calore.

            Essere a conoscenza della variazione di volume con la temperatura, permette di riflettere su come sia possibile realizzare un termometro. Si pone la necessità di determinare due punti fissi per la taratura del termometro.

            Lo studio dei fenomeni termici non è banale in quanto sono presenti fenomeni di disturbo – sensazioni corporee, dispersioni di calore – che contribuiscono a creare confusione. E’ quindi importante concentrare l’attenzione sulla necessità di distinguere i due concetti di temperatura e calore.

            La temperatura è una grandezza di stato perché con il suo valore caratterizza lo stato di un corpo.

La temperatura è una grandezza intensiva: due quantità uguali d’acqua a temperature diverse, mescolate assieme, si portano a una temperatura intermedia; due quantità uguali d’acqua a temperature uguali, mescolate mantengono la stessa temperatura.

In gioco entra anche la temperatura ambiente. Si possono allora eseguire esperienze che mostrano come la temperatura di un oggetto, per facilità dell’acqua contenuta in un contenitore, aumenti o diminuisca se questo è posto in una stanza a temperatura più alta o più bassa. Si può formulare l’ipotesi che anche la temperatura della stanza vari quando si introducono oggetti a temperatura diversa.

Queste semplici prove mostrano che si raggiunge, in un tempo più o meno lungo, una situazione d’equilibrio tale che le due temperature sono uguali.

Alcuni contenitori o materiali facilitano il mantenimento della temperatura del sistema, isolandolo termicamente rispetto ad altri. Si riduce così l’interazione fra i sistemi. Alcuni materiali conducono il calore meglio di altri; alcuni materiali sono in grado di portarsi all’equilibrio termico più velocemente di altri. Si puntualizzano i concetti di interazione e di equilibrio. Un contenitore contenente acqua posto in una stanza, ma isolato con una coperta di lana, si porta all’equilibrio termico con l’ambiente in un tempo maggiore. Nelle giornate fredde si ha quindi una maggiore perdita di calore attraverso i muri delle case. Il calore è una grandezza estensiva: le “perdite” si sommano con altre perdite e viceversa. Si possono spiegare i fenomeni termici ipotizzando un flusso di calore da un corpo a temperatura maggiore verso uno a temperatura inferiore. Un pezzetto di ghiaccio può allora essere considerato una sorgente di calore?

 

II - Classe I della scuola secondaria

Si tratta di riprendere il lavoro fin qui fatto per puntualizzare, anche a livello terminologico, le differenze fra calore e temperatura. Calore e temperatura sono grandezze diverse: estensiva e d’interazione la prima, intensiva e di stato la seconda. Nei passaggi di stato si vede che, pur fornendo calore, non si ha variazione di temperatura.

Anche il concetto di equilibrio termico, di per sé problematico, deve essere nuovamente affrontato. Se le prove precedenti hanno mostrato che i corpi tendono a portarsi all’equilibrio termico, allora perché alcuni corpi presenti in una stanza sembrano più caldi di altri? Entrano in gioco anche le sensazioni corporee. I corpi che sembrano più freddi sono quelli che conducono meglio il calore. Il corpo umano ha una temperatura definita. Il termometro usato per misurare la febbre fornisce la stessa temperatura degli altri termometri. Nel contatto fra il corpo dello sperimentatore e l’oggetto a temperatura inferiore si ha un passaggio di calore maggiore o minore secondo il materiale che forma l’oggetto. Le sensazioni sono quindi guidate dalla temperatura degli oggetti, ma anche dalla loro capacità di condurre il calore.

Il maglione di lana fornisce calore, cioè è una sorgente di calore, o isola il corpo della persona riducendo l’interazione con l’esterno?

In termini di temperatura e calore cosa si vuole dire affermando che un corpo è caldo o freddo?

           

           

 

 

 

 

Bibliografia

 

E. Borchi, R. Macii – Termometri e termoscopi – Pubblicazioni dell’Osservatorio Ximeniano di Firenze, 1997

J. H. Heilbron – Alle origini della fisica moderna – Il Mulino, 1984.

E. Bellone – Caos e armonia – UTET, 1990.

E. Albert – Development of the Concept of Heat in Children – Science Education, 1978.

G. Cavallini – La formazione dei concetti scientifici – La Nuova Italia, 1995.

A.     B. Arons – Guida all’insegnamento della fisica – Zanichelli, 1992.

M. Vicentini, M. Mayer (a cura di) – Didattica della fisica – La Nuova Italia, 1996.

C. Fiorentini – La prima chimica – Franco Angeli, 1990.

N. Grimellini Tomasini, G. Segré (a cura di) – Conoscenze scientifiche: le rappresentazioni mentali degli studenti – La Nuova Italia, 1991.

 

 


[1] La proposta sui fenomeni termici qui presentata è stato sviluppato dal gruppo di docenti che si occupa di scienze all’interno del CIDI di Firenze.

 

Cidi Firenze - Centro di iniziativa Democratica degli Insegnanti di Firenze

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