Temperatura E Calore: secondo esperimento

Nel post del 10 agosto "Temperatura E Calore: l'ipotesi del modello particellare della materia", era stato pubblicato l'esperimento  sull'ebollizione dell'acqua, svolto dai gruppi di alunni della classe 2° B per verificare sperimentalmente la bontà dell'ipotesi relativa al modello particellare della materia, da loro elaborata.

L'esperimento pubblicato in questo post si propone di continuare in tale verifica sperimentale.

Ecco il problema affrontato  dai ragazzi e descritto di seguito con le loro stesse parole.

IPOTESI

1) Per quattordici, su diciotto di noi, la quantità d’acqua evaporata è maggiore nel contenitore avente la superficie di evaporazione più estesa.
2) Per gli altri quattro, la quantità evaporata non cambia in relazione alla diversa superficie di evaporazione.

MATERIALE

-2 fornelli a gas
-2 treppiedi metallici
-2 retine frangifiamma
-2 termometri a mercurio
-2 mollette di legno
-200 ml di acqua x contenitore
- 1 becher e 1 una beuta graduati termo - resistenti
- 2 piastrelle in maiolica come supporto ai fornelletti



PROCEDIMENTO

- Abbiamo acceso contemporaneamente i due fornelli, regolando la fiamma alla stessa intensità, con la beuta e il becker precedentemente posizionati sui treppiedi e separati dalla fiamma mediante le retine .

- Abbiamo usato due mollette di legno per sorreggere i termometri a mercurio, facendo attenzione che  non toccassero il fondo ma che fossero immersi.

- Le mollette sono state appoggiate trasversalmente sul bordo,  all’imboccatura dei due contenitori.

- Abbiamo registrato i valori della temperatura, rilevata ogni due minuti in ciascuno dei contenitori, nella tabella seguente e abbiamo realizzato il grafico comparato.

- Abbiamo spento i fornelli contemporaneamente alle ore 11.58 

- Anche durante il pomeriggio, fino alle 17, abbiamo rilevato i dati durante il raffreddamento del liquido in entrambi i contenitori.

Se ne è occupato uno di noi, che, poi, li ha comunicati a tutta la classe.

In tabella, non sono riportati i dati che, in realtà, sono stati rilevati sino alle ore 17.00 con i seguenti risultati:

- becker : temperatura = 24  °C,  volume = 150 ml

- beuta: temperatura = 24 °C, volume = 160 ml

OSSERVAZIONI

• A 67 °C, il volume dell’acqua è aumentato nella beuta perché le particelle si allontanano, visto che il calore ne allenta i legami; mentre alla stessa temperatura l’acqua nel becker segna ancora il livello iniziale.
• L’acqua nella beuta è andata in ebollizione, prima di quella contenuta nel becker, alla temperatura di 100°C.
• L’acqua nel becker va in ebollizione alla temperatura di 99 °C.
• Alle ore 11.34 c’è stata una differenza di temperatura di 10 °C tra i due contenitori. Il vapore è condensato sulle pareti della beuta, ma non del becker.
• Il raffreddamento dell’acqua è più rapido nel becker.
• Raggiunta la stessa temperatura di raffreddameno, 24°C, il volume dell’acqua è di 150 ml nel becker, mentre è di 160 ml nella beuta.



CONCLUSIONI

Analizzando e comparando i risultati deduciamo che:

•a superficie maggiore corrisponde effettivamente una maggiore quantità di acqua evaporata.

• L’ipotesi fatta dalla maggioranza di noi si è, quindi, rivelata giusta.

INTERPRETAZIONE ALLA LUCE DELL'IPOTESI PARTICELLARE

Sì, i risultati ottenuti sperimentalmente ci sembrano in accordo con la nostra ipotesi particellare.

Immaginiamo, infatti, che l'apertura del becker e della beuta sia ‘come una porta’, da cui escono le particelle.
Se l'imboccatura è ampia (nel nostro caso il becker) ne escono in grande quantità; se è piccola (la beuta) ne escono poche per volta.

DOMANDE APERTE

1. Perché la temperatura rilevata inizialmente è diversa nei due contenitori?

2. Perché, a parità di pressione atmosferica, l’acqua ha bollito a 100°C nella beuta  e a 99 °C nel becker?

3. Perché a 67°C  l’acqua della beuta aumenta di volume, mentre, all’incirca alla stessa temperatura, non si osserva lo stesso fenomeno nel becker?

Con il prossimo post, concluderemo la pubblicazione dei risultati relativi a questa sperimentazione su Temperatura & Calore affrontando il seguente problema:

"La quantità di acqua evaporata dipende dalla quantità di calore fornito?"

Temperatura E Calore: ipotesi del modello particellare della materia

Nel post del 26 luglio scorso, eravamo rimasti all'intervista alla classe, mediante la quale i ragazzi avevano espresso la propria idea estemporanea circa il modello particellare della materia. Successivamente le varie idee erano state socializzate e raccolte in una specie di "summa" riguardante una possibile ipotesi del modello, che è descritto di seguito così  come è stato elaborato dagli alunni.

POSSIBILE IPOTESI DEL MODELLO PARTICELLARE

(Conclusioni alle quali è giunta la classe, dopo il confronto e la discussione collettiva)

LE PARTICELLE:

1. SONO SUBMICROSCOPICHE( termine coniato dai ragazzi)

2. SONO LEGATE: i legami sono forti nello stato solido, sono meno forti nello stato liquido, quasi inesistenti negli aeriformi.

3. SI MUOVONO: la velocità è minima nei solidi (vibrazione su posizioni fisse); aumenta nei liquidi; aumenta ancora negli aeriformi.

4. LA VELOCITÁ DELLE PARTICELLE È IN RELAZIONE ALLA LORO ENERGIA TERMICA

5. HANNO TUTTE LE STESSE DIMENSIONI( almeno per quanto riguarda la stessa sostanza).

6. NON SONO CONTINUE NELLA LORO DISTRIBUZIONE

7. CIRCA LA LORO FORMA, NON RIUSCIAMO A GIUNGERE AD UNA CONCLUSIONE  CONDIVISA, MA UNA BUONA PARTE DI NOI LE IMMAGINA DI FORMA PRESSOCHE’ SFERICA.

Abbiamo discusso molto  per arrivare a queste conclusioni e la prof. ci ha aiutato a fare ordine nei ragionamenti.

PERCHE' SIAMO GIUNTI A QUESTE CONCLUSIONI?

• Il primo punto è evidente: se non riusciamo ad osservarle con i microscopi a disposizione, le particelle devono essere veramente molto piccole.
• Per il secondo punto, abbiamo riflettuto sugli stati della materia e le conclusioni ci sono sembrate le più plausibili con quanto si osserva sul loro comportamento.
• Anche per il terzo punto, ci siamo riferiti al comportamento della materia nei tre stati. Infatti, se pensiamo ad un odore, questo si avverte anche molto lontano dalla fonte.
• Deve per forza esserci una relazione fra la loro velocità e il calore fornito, basta pensare ai passaggi di stato dell’acqua, che abbiamo già studiato.
• Abbiamo pensato che, almeno per uno stesso tipo di sostanza, le particelle dovrebbero avere le stesse dimensioni altrimenti cambierebbe la sostanza. Naturalmente potrebbe essere diversamente, ma siamo orientati a pensare in questo modo, non avendo prove.
• Questo lo abbiamo ipotizzato riferendoci alla diffusione di un liquido colorato nell’acqua o alla dissoluzione del sale e dello zucchero nell’acqua, tutti fenomeni che abbiamo già studiato.
• Questo punto ci ha fatto discutere molto e non siamo giunti ad una ipotesi condivisa. Un compagno sostiene che le particelle devono avere una forma sferica o similare perché con questa forma la materia si distribuisce in maniera omogenea e poi così occupa meno spazio. Una buona parte di noi  ha accettato la sua ipotesi ma altri sono scettici, anche se non hanno saputo offrire un’ipotesi alternativa.

Adesso disponiamo di un'ipotesi condivisa alla quale ci riferiremo, come a un possibile modello della struttura particellare della materia.

Proveremo a vedere se  e come funziona negli esperimenti, che faremo, o se, invece, dovremo apportare delle correzioni a tale modello.

*****                   

Nei prossimi post,saranno illustrati alcuni esperimenti, che sono stati interpretati dai ragazzi alla luce dell'ipotesi particellare, da essi formulata.

Attraverso tali esperimenti si è cercato di trovare conferma circa "la bontà" di tale ipotesi, confrontando il modello particellare con i dati sperimentali ottenuti e valutandone la coerenza con quello.

I problemi affrontati sono:

1. Osservare l'ebollizione dell'acqua e interpretare il fenomeno alla luce dell'ipotesi particellare.
2. A parità di altre condizioni( quantità di calore fornito, tempo di esposizione al calore), la quantità di acqua evaporata dipende dalla superficie di evaporazione?
3. A parità di altre condizioni( due becker uguali, volume iniziale d'acqua, tempo di esposizione alla fiamma) la quantità di acqua evaporata dipende dal calore fornito?

S i riporta qui il primo di tali esperimenti: L'EBOLLIZIONE DELL'ACQUA

MATERIALE

• 1 fornelletto a gas
• 1 treppiedi metallico
• 1 reticella frangifiamma
• 1 termometro a mercurio
• 1 molletta di legno
• 1 piastrella x supporto al fornello
• 1 beuta
• 250 ml di acqua



PROCEDIMENTO

- Abbiamo sistemato il fornelletto a gas sulla piastrella di ceramica per isolarlo dal fondo del tavolo da lavoro.
- Abbiamo posizionato il treppiede in modo che sormontasse il fornelletto.
- Abbiamo posto sul treppiede la reticella frangifiamma.
- Abbiamo sistemato la beuta sopra la reticella.
- Abbiamo acceso il fornello.
- Con il termometro, abbiamo misurato la temperatura iniziale e quindi abbiamo proseguito con il rilevamento ogni due minuti fino a raggiungere la temperatura di ebollizione dell’acqua, compilando la seguente tabella e realizzando il grafico relativo.
- Alle 12.08 abbiamo effettuato l’ultimo rilevamento e poi spento il fornelletto.

TABELLA

GRAFICO

OSSERVAZIONI

- La temperatura sale progressivamente al passare del tempo man mano che si fornisce calore.
- A  65°C circa, notiamo che il livello dell’acqua nella beuta è superiore a 250 ml nonostante l’evaporazione ‘porti via’ un certo quantitativo di sostanza.
- A 75°C , il vetro si appanna e scendono delle goccioline dal bordo lungo le pareti della beuta.
- A 90°C , il livello dell’acqua è ancora superiore a 250 ml nonostante la massiccia evaporazione.
- A 100°C l’acqua bolle e si osservano movimenti tumultuosi dell’intera massa, la superficie è interessata da una evaporazione al ‘top’.
- Per altri quattro rilevamenti, osserviamo che la temperatura rimane ferma a 100 °C; nonostante si continui a fornire calore alla beuta, c’è come una sosta nella temperatura(sappiamo già, perché lo abbiamo sperimentato, che la temperatura rimane con un pianerottolo a 100°C  finchè l’acqua non è evaporata del tutto).
- Abbiamo rilevato il livello dell’acqua, a pomeriggio, quando tutto il sistema si era  raffreddato a circa 21°C, ed abbiamo osservato che era sceso a circa 210 ml.

• Il fatto che, fra 65 °C e 90°C, il volume dell’acqua sia aumentato ci sembra in accordo con l’ipotesi particellare: infatti il calore assorbito dall’acqua serve a fare diventare più veloci le  sue particelle, che, acquistando energia, allentano i propri legami distanziandosi e quindi il volume complessivo aumenta.
• Il fatto che la temperatura rimanga a 100°C fino a quando l’acqua bolle e non si è trasformata completamente in vapore acqueo, si spiega con il fatto che il calore fornito serve alle particelle per rompere i legami e per passare allo stato aeriforme; anche questo sembra in accordo con l’ipotesi particellare.
• Anche il diminuito volume dell’acqua, a raffreddamento avvenuto, interrotta l’ebollizione, conferma che circa 40 ml di acqua si sono trasformati in vapore acqueo abbandonando lo stato solido, grazie al calore fornito.

DOMANDE RIMASTE APERTE:

1. Perché a 90°C, il volume dell’acqua è superiore a quello iniziale nonostante la massiccia evaporazione in atto?

2. La dilatazione del liquido è sufficiente a spiegare l’aumento di volume?

Il modello particellare dovrebbe permetterci di fare delle previsioni in merito. La prof. dice che cercheremo di dare delle risposte il prossimo anno riprendendo la sperimentazione.
Per la fine dell’anno porteremo avanti il percorso ipotizzato per non  rischiare di disperderci.

Per oggi si conclude qui! Il seguito al prossimo post.

Temperatura E Calore: La scatola nera

Nel post precedente, eravamo rimasti alla necessità di ricercare un modello applicabile al nostro problema ovvero in grado di consentire previsioni circa l'ipotesi particellare della materia.

Sollecito i ragazzi a riflettere su cosa potrebbe essere un semplice modello, facendo passare di mano in mano un  barattolo chiuso, contenente acqua , senza che loro siano a conoscenza del contenuto.

Li invito ad indovinare cosa può esserci dentro.

Tutti rispondono che si tratta con certezza di un liquido, dallo sciacquio che percepiscono. Ma non possono prevedere altro, non riuscendo, ovviamente, a rilevarne né l’odore né il sapore.
Però, dato che sicuramente è un liquido, se forassero il barattolo, esso sgocciolerebbe fuori.

Quindi, da questo semplice modello (che il barattolo contiene un liquido) possiamo fare una previsione: la fuoriuscita del liquido se si fora il barattolo. Nessun particolare del modello ci ha fatto capire di che tipo di liquido si tratti.

Allora potrebbe funzionare nella stessa maniera un modello particellare della materia! Perché no?

I ragazzi sono combattuti.  A qusto punto annuncio che  faremo un esperimento un po’ più complicato di quello del barattolo: la scatola nera.

Li invito ad inventarsi un modello  per dare spiegazione del comportamento di una  “scatola nera “, dentro la quale metterò degli oggetti di cui dovranno indovinare l'identità. Le previsioni che faranno forse li potranno aiutare a comprendere meglio un modello della struttura particellare della materia.

Con i ragazzi sottolineo il fatto che la scatola è qualcosa di artificiale ma che potranno adoperarla per fare esperimenti, riflettere sui risultati ottenuti organizzandoli in un modello, che impiegheranno per fare previsioni (provando a verificarle) su altri esperimenti, fino a quando ne avranno voglia.

NOTA
La scatola nera è un modello conosciuto. Personalmente, l’ho appreso da una collega che insegna Chimica al biennio superiore, dove viene utilizzato, appunto, quando a proposito del modello atomico della materia, insieme ad altri modelli più complessi.
Ho pensato, che ad un livello semplificato, potesse essere impiegato con ragazzi più giovani e funzionare.

LA CONSEGNA:
Progettare e realizzare la scatola (una per ciascun gruppo, in cui inserirò personalmente degli oggetti sconosciuti che i ragazzi proveranno a indovinare) e fare tutti gli esperimenti che verranno in mente a ciascuno tranne quello di aprire la scatola, naturalmente.

METARIFLESSIONE PER I GRANDI: avere consapevolezza che il modello della scatola nera, come qualunque altro modello, è sempre “contaminato”, altrimenti cadremmo in una trappola su cui Calvino, più di 20 anni fa, scrisse delle belle parole che cito volentieri:

"Il modello è per definizione quello in cui non c’è niente da cambiare, quello che funziona alla perfezione; mentre la realtà vediamo bene che non funziona e si spappola da tutte le parti; dunque non resta che costringerla a prendere la forma del modello, con le buone o con le cattive.”

E’  chiaro come  i modelli, cui si riferisce Calvino, siano quelli pertinenti all’analisi e alla  descrizione delle dinamiche interattive sociali e più in genere umane, per comprenderne i comportamenti, ma credo che la citazione possa estendersi, con le differenze del caso, anche al nostro ambito di indagine.

Riporto di seguito l'esperienza originale, progettata e realizzata da uno dei gruppi di alunni.

ESPERIENZA CONDOTTA DA UNO DEI GRUPPI

SCOPO:
Scoprire cosa contiene la scatola e illustrare il modo in cui l'abbiamo costruita.

MATERIALE:
• colla
• scotch
• cartoncino nero
• forbici
• bastoncini da spiedo
• piccoli oggetti(da identificare)

PROCEDIMENTO:
• Abbiamo stabilito le dimensioni della scatola.
• Abbiamo ritagliato e piegato il cartone, lasciandone il necessario per un coperchio.
• Abbiamo costruito allo stesso modo anche quest'ultimo. Ci siamo ispirate alle scatole da scarpe e ne abbiamo costruita una simile.
• La professoressa ha infilato all'interno del contenitore dei piccoli oggetti(senza farceli vedere) e lo ha sigillato.
• Abbiamo fatto alcune supposizioni sul contenuto e scosso a lungo e in vari modi la scatola per sentirne il rumore.
• Abbiamo tentato di catturare un po' di materiale con uno  spiedo.

DATI SPERIMENTALI:
• Scatola: lunghezza 18 cm; spessore 10 cm; altezza 6 cm; stecchi da 20 cm.
• Coperchio:  lunghezza 18,5 cm; spessore 10,5 cm; altezza 3,5 cm.
• Rumore, rilevato con i sensi.

IPOTESI:
I rumori percepiti ci inducono a supporre la presenza di piccoli granelli (forse zucchero o sale ), di ferraglia (forse graffette o puntine da disegno), di plastica (elastici o pezzetti di biro). Il rumore è attutito da qualcosa, probabilmente cotone idrofilo.

RISULTATI OTTENUTI:
Abbiamo aperto la scatola per verificarne il contenuto, trovando:
• 1 graffetta
• 2 elastici piccoli
• 1 cerotto
• 1 puntina da disegno
• un po' di cotone idrofilo

VERIFICA DELL’IPOTESI E CONCLUSIONI : Le nostre supposizioni erano quasi esatte e quindi la scatola nera ha funzionato come strumento di previsione.

CONFRONTO DEI RISULTATI DEI VARI GRUPPI E DISCUSSIONE COLLETTIVA

Dopo che i gruppi hanno completato l’esperimento della scatola  nera, noi ragazzi abbiamo discusso tutti insieme (la prof. ci ascoltava pronta ad intervenire su nostra richiesta oppure quando era necessario raddrizzare qualche ragionamento che trasbordava o a frenare qualche volo troppo alto di fantasia) i risultati , dopo averli confrontati, di quello che all’inizio  ci era parso un gioco.

Ma “giocando” siamo arrivati a comprendere che, come la scatola nera ha funzionato da modello per fare delle previsioni anche se eravamo all’oscuro del suo contenuto, nello stesso modo possiamo costruirci un modello “particellare” che possa spiegare i fenomeni che abbiamo osservato sperimentalmente sugli stati della materia e sulle sue trasformazioni di stato fisico, anche se non siamo in grado di osservare le particelle medesime.

E’ quanto proveremo a fare le prossime volte, così ha detto la prof.

L'immagine, che vedete, è il modello della scatola nera  realizzato dal gruppo.

Allora,  cari visitatori, al prossimo post! Rimanete sintonizzati!