Esperimenti in laboratorio: calore e temperatura
Studiare il calore e le sue proprietà è un’area affascinante della fisica che può essere esplorata attraverso una varietà di esperimenti pratici in laboratorio. Questi esperimenti permettono di osservare direttamente come il calore si trasferisce tra oggetti e ambienti, oltre a fornire intuizioni sui materiali che conducono o isolano il calore efficacemente. Due concetti chiave in questo campo di studio sono i conduttori e gli isolanti termici, nonché il calore specifico dei materiali.
I conduttori termici sono materiali che permettono al calore di passare attraverso di loro con facilità. Tipicamente, metalli come il rame e l’argento sono eccellenti conduttori di calore, motivo per cui sono spesso utilizzati in applicazioni che richiedono un rapido trasferimento di calore, come nei radiatori o nelle pentole da cucina. D’altra parte, i cattivi conduttori, o isolanti termici, come il legno, la plastica o la lana, resistono al passaggio del calore. Queste proprietà possono essere indagate in laboratorio confrontando la velocità con cui diversi materiali si riscaldano o si raffreddano quando sono esposti a una fonte di calore o quando sono isolati da essa.
Il calore specifico è un’altra proprietà fondamentale che descrive quanto calore è necessario per cambiare la temperatura di un’unità di massa di un materiale di un grado Celsius. Materiali con un alto calore specifico, come l’acqua, richiedono molta energia per cambiare temperatura, il che spiega perché l’acqua è utilizzata come refrigerante in molti sistemi di raffreddamento. Gli esperimenti per misurare il calore specifico coinvolgono tipicamente il riscaldamento di un campione di materiale a una temperatura nota, quindi misurando la quantità di energia necessaria per ottenere un certo aumento di temperatura.
In laboratorio, si possono condurre esperimenti semplici ma efficaci per esplorare questi concetti. Vediamone alcuni insieme!
- Esperimenti in laboratorio su calore e temperatura
- Esperimenti in laboratorio sui buoni e cattivi conduttori di calore
- La dilatazione termica nei solidi: esperimenti in laboratorio
- Il calore specifico: esperimenti da svolgere
Esperimenti in laboratorio su calore e temperatura
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: due fornelli uguali, due becher uguali, acqua e due termometri.
Riempiamo un becher con mezzo litro di acqua e poniamolo su un fornello;
Riempiamo il secondo becher con un litro di acqua e poniamolo sul secondo fornello.
Inseriamo i termometri nei becher.
Accendiamo i fornelli per cinque minuti misurando la temperatura dell’acqua ogni minuto e registrando i valori in una tabella.
Scopriremo che la variazione di temperatura dell’acqua è maggiore nel recipiente contenente meno acqua (ovvero nel becher con mezzo litro di acqua).
L’assorbimento di calore causa l’aumento di temperatura di un corpo.
Questo aumento di temperatura dipende dal calore fornito e dalla massa del corpo.
Esperimenti in laboratorio sui buoni e cattivi conduttori di calore
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: una bacinella, un bastoncino di legno, cera di candela , un filo di rame, una graffetta, una cannuccia, uno stuzzicadenti e un chiodo di ferro.
La lunghezza e lo spessore degli oggetti devono essere simili.
Fissiamo gli oggetti (un filo di rame, una graffetta, un pezzetto di cannuccia, stuzzicadenti di spiedini e un chiodo di ferro) al bastoncino di legno utilizzando della cera scaldata.
Sistemiamo il bastoncino sulla bacinella e versiamo al suo interno dell’acqua bollente facendo attenzione a non scottarci o chiedendo l’aiuto di un adulto.
Lasciamo che gli oggetti restino parzialmente immersi nell’acqua per pochi minuti.
Il filo di rame cadrà per primo seguito dalla graffetta. Il pezzetto di cannuccia e lo stuzzicadenti invece essendo di plastica e legno (materiali isolanti) restano attaccati al bastoncino.
Questo accade perché il filo di rame ha trasmesso calore alla cera che scaldandosi lo lascia cadere.
La dilatazione termica nei solidi: esperimenti in laboratorio
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: una moneta, un cerchietto di metallo di diametro appena maggiore di quello della moneta, una candela, alcuni fiammiferi, una pinza di legno.
Per prima cosa verifichiamo che la moneta passi attraverso il cerchio di metallo procurato.
Afferriamo la moneta con la pinza di legno.
Accendiamo la candela con un fiammifero e scaldiamo la moneta facendo attenzione a non scottarci le dita.
Dopo qualche minuto proviamo a far passare nuovamente la moneta attraverso il cerchio di metallo.
Ci accorgeremo che la moneta si è dilatata e quindi il suo diametro è aumentato tanto da non riuscire più a farla passare attraverso il cerchio.
Questo accade perché i materiali solidi e di metallo esposti al calore si dilatano.
Il calore specifico: esperimenti da svolgere
Per eseguire questo esperimento dobbiamo procurarci: una caraffa in vetro, un pentolino in ferro, dell’acqua a 20° C (a temperatura ambiente) , una bilancia da cucina, un termometro in vetro, un termometro da esterno, dei bulloni in ferro e una cannuccia.
Pesiamo 300 g di acqua sulla bilancia e immergiamo il termometro da esterno per verificarne la temperatura.
Scaldiamo 100 g di acqua nel pentolino fino a portarla ad ebollizione e travasiamola nell’ acqua a temperatura ambiente.
Ovviamente la temperatura dell’acqua aumenterà ad esempio fino a 37,5 °C.
Ora ripetiamo l’esperimento inserendo 100 g di bulloni (che abbiamo fatto bollire in acqua) nei 300 g di acqua a temperatura ambiente.
Anche in questo caso la temperatura salirà, ma si raggiungerà una temperatura minore rispetto a prima.
Questo accade in quanto i bulloni di ferro trasmettono meno calore rispetto all’acqua che ha calore specifico maggiore del ferro.