Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
Interazioni termiche tra masse d'acqua e temperatura di equilibrio
Negli esperimenti proposti in questa scheda un recipiente contenente acqua a temperatura
maggiore viene posto in acqua a temperatura minore. Le due masse d'acqua
interagiscono termicamente.
Assetto.
Fare l’assetto del sistema in modo da avere disponibili 3 sensori che effettuano una
misura ogni 2 s, per un totale di 10 minuti, nell’intervallo di temperatura 0 °C, 100 °C.
Attività A: masse d’acqua uguali
A. Descrizione dell’attività.
Quattro sensori si trovano all'equilibrio
termico con l'ambiente: due sensori
vengono posti in due recipienti contenenti
masse uguali (100 g) di acqua a
temperature diverse. Il recipiente
contenente acqua a temperatura maggiore
viene immerso in quello contenente acqua a
temperatura inferiore. Osserva l'evoluzione
temporale della temperatura.
al PC
a)
Acqua fredda
b)
Acqua calda
al PC
Figura 1
B. Previsioni.
B1_Illustra a parole quello che ti aspetti di
osservare sul monitor, eseguendo l'esperimento descritto.
• Supponendo di avere 100 g di acqua a TC=60 °C e 100g di acqua a TF=20 °C,
alla fine del processo ti aspetti che le due masse d'acqua abbiano:
temperature diverse
la stessa temperatura, uguale a: ______________
Spiega la risposta precedente.
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
B2_Disegna nel diagramma sottostante il grafico della temperatura dei sensori nel tempo,
che ti aspetti di vedere sul monitor quando verrà effettuata la misura.
T( )
t( )
C. Esecuzione
C1_Scalda dell’acqua, ad esempio ponendola in un pentolino su un fornello elettrico.
Versa 100 g di acqua di rubinetto (o meglio raffreddata con del ghiaccio) in un beker di
vetro la cui capacità è circa di mezzo litro (400 cm3 se possibile), posto in un termos.
Versa 100 g di acqua a temperatura maggiore in un recipiente che possa essere
contenuto nel precedente a pareti sottili (un beker da 150 ml o meglio un contenitore di
alluminio). Misura la temperatura del tavolo e delle due masse d'acqua, utilizzando i
sensori. Immergi il recipiente con l'acqua calda nell'acqua fredda e ricopri parzialmente il
termos. Muovi i sensori posti nelle due masse d'acqua per mescolare le due masse
d'acqua. Cerca di fare in modo che per l'intera misura i sensori non tocchino le pareti dei
contenitori, ma restino a contatto solo con l'acqua.
C2_Terminata la misura, disegna nel diagramma sottostante il grafico osservato sul
monitor.
T( )
t( )
D. Descrizione e interpretazione del grafico.
D1_Descrivi il grafico osservato:
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
D2_Per quanti secondi le due masse d'acqua restano a contato (in interazione termica)?
t = ____________ ____
Qual è la temperatura finale delle due masse d’acqua? ______ ___ _______ ___
Che cosa puoi dire su quello che hai osservato?
D3_Fai una stampa del grafico osservato sul video e allegala alla presente scheda.
D5_Le previsioni fatte in precedenza (B_Previsioni) sono state confermate?
Sì
No
• Quali sono state confermate?
•
Quali non sono state confermate?
•
Discuti i risultati ottenuti
D4_Riporta i seguenti dati della misura effettuata (puoi limitarti alle unità)
Temperatura del tavolo: T = ________ _____
Temperatura iniziale dell’acqua a temperatura maggiore: TC=_________ ___
Temperatura iniziale dell’acqua a temperatura minore: TF= _________ ___
Temperatura finale: Teq________ ___
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
E_Analisi dei dati.
E1_Determina la variazione di temperatura delle due masse d’acqua a seguito della loro
interazione termica:
DTC = TC-Teq=______ ____
(DTF) = Teq-TF=_______ _____
Che cosa si può dire dei due valori ottenuti?
E2_Analizza ora la parte finale del grafico delle temperature al variare del tempo.
In quale istante i due sensori hanno segnalato il raggiungimento dell’equilibrio termico?
t = _________ _____
•
Da questo istante in poi e sino al termine della misura, è variata la temperatura
segnalata dai due sensori?
Sì
No
•
Spiega ciò che hai osservato dopo il raggiungimento dell'equilibrio termico
•
A che cosa è dovuto ciò che si osserva?
F. Conclusioni
Quali conclusioni si possono trarre da questo esperimento?
G.Mettiti alla prova
G1_Se le temperature iniziali delle due masse d'acqua fossero state
TC = 65 °C e TF = 5°C,
quale sarebbe stata la temperatura finale Teq?
Teq= __________ ___
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
Attività B: masse d’acqua diverse.
A. Esperimento
Le attrezzature necessarie sono le stesse dell'esperimento A. Tre sensori si trovano
all'equilibrio termico con l'ambiente: due di essi vengono posti in due recipienti contenenti
rispettivamente 200 g di acqua a temperatura ambiente e 100 g di acqua a temperatura
maggiore.
Il recipiente contenente l'acqua più calda viene messo dentro quello contenente l'acqua
più fredda.
B. Previsioni.
B1_Descrivi quello che ti aspetti di osservare sul monitor, eseguendo l'esperimento
descritto:
• Supponendo di avere 200 g di acqua a TF=20 °C e 100 g di acqua a TC= 70 °C, alla
fine del processo ti aspetti che le masse d'acqua abbiano:
temperature diverse
La stessa temperatura, uguale a: ______________
Spiega la risposta precedente.
B2_Disegna nel diagramma sottostante il grafico della temperatura dei sensori nel tempo,
che ti aspetti di vedere sul monitor quando verrà effettuata la misura.
T( )
t( )
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
C. Esecuzione
C1_Scalda dell’acqua, utilizzando eventualmente il fornello elettrico e un pentolino. Versa
200 g di acqua a temperatura di rubinetto (o meglio raffreddata con un po' di ghiaccio) in
un beker di vetro abbastanza capiente, da 400 cm3 se possibile, posto in un termos.
Versa 100 g dell'acqua riscaldata sul fornello in un recipiente più piccolo (un beker da 150
cm3 o meglio un recipiente metallico a pareti sottili).
Misura la temperatura del tavolo e delle due masse d'acqua, utilizzando i sensori. Immergi
il recipiente con l'acqua calda nell'acqua fredda e ricopri parzialmente il termos. Muovi i
sensori posti nelle due masse d'acqua per mescolare le due masse d'acqua. Cerca di fare
in modo che per l'intera misura i sensori non tocchino le pareti dei contenitori, ma restino a
contatto solo con l'acqua.
C3_Terminata la misura disegna nel diagramma sottostante il grafico osservato sul
monitor
T( )
t( )
D. Descrizione, interpretazione, lettura del grafico
D1_Descrivere il grafico osservato:
D2_Spiega il grafico osservato:
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
•
Quanti secondi dura la fase di interazione termica delle due masse d’acqua? _____ __
•
Qual è la temperatura finale delle due masse d’acqua? ______ ___ ________ ___
•
Che cosa puoi dire ancora su quello che hai osservato?
D3_Fai una stampa del grafico osservato sul monitor e allegala alla presente scheda.
D4_Hai ritrovato quello che ti aspettavi?
•
Sì
No
Spiega
D5_Riporta i seguenti dati della misura effettuata (puoi limitarti alle unità)
Temperatura iniziale dei 100 g di acqua calda: TC=_________ ___
Temperatura iniziale dei 200 g di acqua fredda: TF= _________ ___
Temperatura finale: Teq = _______ ___
E. Analisi dei dati
E1_Determina queste variazioni di temperatura:
DT
= TC - TF = ________ _____
DTC
=TC - Teq = _______ ____
DTF
= Teq - TF = ________ ______
E2_In quale rapporto stanno queste variazioni di temperatura tra loro?
DTC
= ___________
DT
DTF
= ___________
DT
DTF
= __________
DTC
E3_In quale rapporto stanno fra loro le masse d'acqua in gioco?
( M C : massa d'acqua calda; M F : massa d'acqua fredda)
MC
=
MC + M F
=
;
MF
=
MC + M F
=
;
MC
=
MF
=
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
E4_Dal confrontando dei valori ottenuti per i rapporti delle differenze di temperatura e
quelli per le masse d'acqua, che cosa si può dire?
• E' possibile stabilire delle uguaglianze tra i rapporti delle differenze di temperatura e
quelli delle masse?
Sì
•
No
Spiega la risposta precedente
F.Mettiti alla prova.
F1_Se le masse d'acqua coinvolte fossero 300 g d'acqua fredda a T= 10°C e 100g di
acqua calda a T=70 °C, quale sarebbe stata la temperatura di equilibrio?
G. Conclusioni
Quali conclusioni si possono trarre da questo esperimento?
Università degli studi di Udine - Unità di Ricerca in Didattica della Fisica.
Interazione termica di masse d'acqua - a cura di Marisa Michelini, Laura Decio, Alberto Stefanel
Riepilogo e conclusioni sulle attività condotte
Gli esperimenti di questa scheda (attività A e B) consistono nell'interazione termica di
sistemi omogenei a temperatura diversa che evolvono verso una nuova situazione di
equilibrio termico, caratterizzata da una temperatura che dipende dalla massa dei corpi
oltre che dalle loro temperature iniziali.
•
Quali conclusioni si possono trarre da questi esperimenti?
• Spiega come si può prevedere il valore della temperatura finale di due masse d'acqua
diverse inizialmente a temperature diverse: