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FISICA E CHIMICA PREREQUISITI Conoscere gli stati di aggregazione della materia Conoscere la teoria atomica della materia Conoscere i concetti inerenti il calore e la temperatura
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OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il fenomeno della dilatazione termica Il concetto di calore specifico Le modalità di propagazione del calore Il concetto di equilibrio termico Il concetto di conducibilità termica
Effetti e propagazione del calore
Percorso di studio Se riscaldiamo un pezzo di ferro, questo aumenta di volume. Come mai?
Un corpo si riscalda se riceve calore e si raffredda se riceve freddo? No, attenzione: si raffredda perché cede calore. Ma che cosa significa?
Il calore in alcuni corpi si propaga con difficoltà e lentamente, in altri invece si propaga più facilmente e velocemente. Perché?
Conduttori “cattivi” ma... utili Pericolo ustioni
Ciò che saprai fare Distinguere le sostanze in base al relativo calore specifico Individuare fenomeni di dilatazione termica nella realtà Individuare le modalità di propagazione del calore Distinguere conduttori e isolanti termici
La dilatazione termica
Il calore specifico
L’equilibrio termico
Il calore si propaga
La conduzione
La convezione
Assorbire o riflettere calore?
L’irraggiamento
La conducibilità termica
Conduttori e isolanti
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FISICA E CHIMICA
La dilatazione termica Un effetto del calore è l’aumento di volume che un corpo subisce quando viene riscaldato. Tale fenomeno è detto dilatazione termica e riguarda la materia nei suoi tre stati di aggregazione.
LIBRO DIGITALE osservazione animata
La sfera metallica, che prima passava attraverso l’anello, riscaldata non passa più. Per effetto della dilatazione termica è aumentata di volume.
Il liquido del pallone di vetro, nella cui strozzatura è inserita una pallina, riscaldato spinge la pallina in alto. Per effetto della dilatazione termica è aumentato di volume ed è salito lungo la strozzatura.
LIBRO DIGITALE osservazione animata
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Il palloncino infilato sull’apertura di una bottiglia “vuota” è sgonfio. Riscaldando la bottiglia, il palloncino si gonfia. Per effetto della dilatazione termica l’aria della bottiglia è aumentata di volume e ha riempito il palloncino.
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Effetti e propagazione del calore
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Il fenomeno della dilatazione termica spiega perché i cavi elettrici (di metallo) dell’alta tensione non vengono tesi, o perché i binari della ferrovia presentano regolari interruzioni, come le giunture di ponti, viadotti e cavalcavia. Il cambiamento di temperatura fra giorno e notte o fra estate e inverno causa infatti la dilatazione dei vari materiali che potrebbe determinare seri danni se non venisse prevista.
I fili della luce fra un traliccio e l’altro non sono tesi al massimo, per evitare che d’inverno possano spezzarsi.
rotaie in inverno
rotaie in estate
Durante l’inverno lo spazio tra i binari è ben evidente, in estate invece è minimo. Oggi il problema è superato, i nuovi binari vengono infatti uniti con un particolare tipo di saldatura resistente agli sbalzi di temperatura.
Lo spazio fra le travi di acciaio che sostengono un viadotto consente loro di dilatarsi, senza pericoli per la struttura della costruzione.
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Il calore specifico Somministrando del calore a un corpo, come abbiamo visto, si ha l’aumento di temperatura del corpo stesso. Questo aumento di temperatura dipende dalla quantità della sostanza: una stessa quantità di calore su quantità diverse di una stessa sostanza non produce lo stesso aumento di temperatura. Vedremo adesso come l’aumento di temperatura dipenda anche dalla sostanza stessa.
L’aumento di temperatura varia da sostanza a sostanza Prendi due recipienti e versa in uno una certa quantità di alcol e nell’altro la stessa quantità di olio. Con due termometri controlla che i liquidi abbiano la stessa temperatura. Poni i recipienti su due fornelli uguali con la stessa intensità di fiamma, per fornire a entrambi la stessa quantità di calore. Aspetta tre minuti e controlla la temperatura che hanno raggiunto le due sostanze. Che cosa osservi? La temperatura raggiunta dall’alcol e dall’olio è uguale o una delle due è minore dell’altra?
alcol
olio
La temperatura raggiunta dall’alcol è minore di quella raggiunta dall’olio; puoi dedurre che una stessa quantità di calore non ha prodotto uno stesso aumento di temperatura nelle due sostanze.
Pur fornendo lo stesso calore per uno stesso tempo e a partire da una stessa temperatura iniziale, due quantità uguali di sostanze diverse raggiungono quindi una diversa temperatura. Ogni sostanza ha quindi un suo preciso modo di riscaldarsi, esattamente ha un suo calore specifico.
calore specifico di alcune sostanze Alluminio 0,217 Mercurio 0,033 Acqua 1 Petrolio 0,5 Alcol etilico 0,58 Oro 0,032 Argento 0,056 Piombo 0,031 Bronzo 0,09 Platino 0,032 Ghiaccio 0,505 Sabbia 0,2 Legno 0,65 Sughero 0,49
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Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per far aumentare di 1 °C, da 14,5 °C a 15,5 °C, la temperatura dell’unità di massa della sostanza considerata. Se esprimiamo la massa in grammi, la quantità di calore sarà espressa in calorie (cal); se la esprimiamo in chilogrammi, la quantità di calore sarà espressa in chilocalorie (kcal).
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Effetti e propagazione del calore
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Il calore si propaga Una caratteristica del calore è quella di passare da un corpo all’altro, cioè di propagarsi, riscaldando o raffreddando un corpo. I corpi infatti non solo possono possedere calore, o energia termica, ma sono anche in grado di scambiarlo con altri corpi. Se poniamo un oggetto su una sorgente di calore, ad esempio la nostra mano su una borsa dell’acqua calda, la nostra mano si riscalda.
acqua fredda
bevanda calda
Se poniamo una tazza piena di bevanda calda in una ciotola con dell’acqua fredda, la bevanda si raffredda.
Il calore della borsa dell’acqua calda è passato alla nostra mano riscaldandola, ma la bevanda calda si è raffreddata perché il freddo dell’acqua è passato alla tazza e quindi alla bevanda, o perché il caldo della bevanda è passato all’acqua fredda? Ci verrebbe più ovvio dire che “il freddo dell’acqua è passato alla bevanda”, ma attento, il calore tende spontaneamente a passare sempre da un corpo più caldo a uno meno caldo e mai viceversa. Un corpo si riscalda se riceve calore da un corpo più caldo, si raffredda se cede calore a un corpo più freddo.
Il caffè si raffredda perché cede il calore all’aria circostante.
Il ghiaccio si riscalda e diventa acqua perché riceve il calore dell’aria circostante.
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L’equilibrio termico Fino a quando continuerà il passaggio di calore da un corpo a temperatura più elevata a uno a temperatura meno elevata? Finché i due corpi non raggiungeranno la stessa temperatura. Rendiamocene conto con un esperimento.
I due corpi raggiungono la stessa temperatura Procurati un recipiente di vetro, un chiodo e un termometro. Riempi il recipiente di acqua e misurane la temperatura. Tenendolo con una pinza, scalda il chiodo alla fiamma di un fornellino finché non diventa rovente. Immergi il chiodo nell’acqua e controllane la temperatura. Che cosa osservi? La temperatura dell’acqua si mantiene uguale a quella iniziale, aumenta o diminuisce? E il chiodo, osservandone il colore, ti sembra che si mantenga rovente, si raffreddi o si riscaldi? L’acqua diventa più calda e il chiodo via via più freddo, il termometro sale perché segna l’aumento di temperatura dell’acqua, ma a un certo punto si ferma, la temperatura dell’acqua non aumenta più.
Puoi dedurre che il passaggio di calore dal corpo più caldo a quello meno caldo continua finché i due corpi non raggiungono la stessa temperatura, finché non sono cioè in equilibrio termico.
Diciamo che: Il calore si propaga da un corpo all’altro passando sempre da quello a temperatura più elevata a quello a temperatura meno elevata, finché i due corpi non raggiungono la stessa temperatura, cioè l’equilibrio termico. Poiché il calore dipende dal movimento delle molecole, la sua propagazione varia secondo lo stato fisico della materia. Vediamo allora come si propaga il calore nei solidi, nei liquidi e negli aeriformi.
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Effetti e propagazione del calore
La conduzione La modalità di propagazione che si verifica fra due o più corpi solidi a diretto contatto tra loro, o in un corpo solido a contatto con una fonte di calore, è detta conduzione. In che modo avviene esattamente? Che cosa succede se riscaldiamo un cucchiaio di acciaio ponendolo a contatto con una fiamma?
LIBRO DIGITALE
Appena posto sulla fiamma il cucchiaio è freddo; dopo un po’ sarà sicuramente caldo e in breve tempo, anche se lo tocchi nella parte più lontana dalla fiamma… ti potresti scottare perché sarà diventato tutto caldissimo.
osservazione animata
La fiamma riscalda le molecole più vicine che acquistano energia termica, si muovono più velocemente e urtano le molecole vicine. Queste, con l’urto, acquistano energia termica, si muovono più velocemente e urtano a loro volta le molecole vicine e così via, fino a coinvolgere tutte le molecole del cucchiaio.
Diciamo che: In un corpo solido il calore si propaga per conduzione, senza spostamento di materia, ma solo con un trasferimento di energia termica da molecola a molecola.
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FISICA E CHIMICA
La convezione La modalità di propagazione che si verifica nei liquidi e negli aeriformi è detta convezione. In una pentola piena d’acqua posta sul fuoco, come sai, l’acqua pian piano si riscalda fino all’orlo. In che modo? Che cosa avviene, ad esempio, in una pentola piena d’acqua posta su un fornello acceso?
LIBRO DIGITALE osservazione animata
Nella pentola sono stati inseriti dei pezzetti di legno per evidenziare meglio che cosa succede. I pezzetti di legno all’inizio, quando l’acqua è fredda, sono sul fondo.
Intanto che l’acqua si riscalda, i pezzetti di legno iniziano a salire dal centro della pentola per ridiscendere lungo i bordi con movimenti quasi circolari, finché tutta l’acqua non si è riscaldata.
I legnetti salgono e scendono perché trascinati dall’acqua del fondo che, scaldandosi, diventa più leggera e sale in superficie; qui però incontra acqua ancora fredda, si raffredda e ridiscende. I movimenti che i legnetti hanno messo in evidenza sono detti moti convettivi e sono proprio questi movimenti che trasportano il calore da un punto all’altro. Questi movimenti avvengono anche negli aeriformi. L’aria di una stanza, ad esempio, è riscaldata da un termosifone per convezione e sono ancora i moti convettivi che fanno girare… una girandola posta sul termosifone. Diciamo che: Nei liquidi e negli aeriformi il calore si propaga per convezione, con spostamenti della materia stessa che, creando movimenti detti moti convettivi, trasporta il calore in tutte le parti.
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Effetti e propagazione del calore
L’irraggiamento Un’altra modalità di propagazione del calore è l’irraggiamento. Come fa, ad esempio, il Sole a scaldare la Terra? Lo spazio tra la Terra e il Sole è immenso e praticamente vuoto, eppure i raggi del Sole riescono a scaldare la Terra attraversando migliaia e migliaia di chilometri. In che modo avviene tutto ciò, visto che il calore, in assenza di materia, non si può propagare né per conduzione né per convezione? Il Sole emette energia sotto forma di radiazioni invisibili, le radiazioni termiche (o infrarosse) che “trasportano” calore anche in assenza di materia. Tale modalità di propagazione del calore è detta irraggiamento. Come il Sole, una qualsiasi fonte di calore (una stufa, una lampadina accesa ecc.) emette radiazioni termiche e un qualsiasi corpo che assorbe queste radiazioni si riscalda per irraggiamento.
Sole
atmosfera raggi termici
Terra
Diciamo che: Senza alcun contatto fra corpi e in assenza di materia, il calore si propaga per irraggiamento “viaggiando” su radiazioni invisibili dette radiazioni termiche.
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FISICA E CHIMICA
Assorbire o riflettere calore? Tutti i corpi colpiti da radiazioni termiche, per irraggiamento, si riscaldano. Non tutti i corpi però assorbono tutto o in parte il calore ricevuto: alcuni lo riflettono, riscaldandosi di meno. Verifichiamolo.
Il calore può essere assorbito o riflesso Procurati tre barattoli di latta con coperchio, tre termometri e una stufa elettrica. Rivesti un barattolo di cartoncino nero, un altro di cartoncino bianco e il terzo di carta di alluminio (un materiale lucente). Riempi tutti e tre i barattoli della stessa quantità di acqua e, attraverso il coperchio, infila in ognuno di essi un termometro. Accendi la stufa e sistema i barattoli davanti a essa alla stessa distanza. Lascia passare almeno 10 minuti e controlla sui termometri la temperatura raggiunta dall’acqua dei tre barattoli. Che cosa osservi? L’acqua ha raggiunto la stessa temperatura nei tre barattoli? Il termometro nel barattolo rivestito di carta nera segna la temperatura più alta, quello nel barattolo rivestito di carta bianca segna una temperatura meno alta e quello posto nel barattolo rivestito di carta di
alluminio segna la temperatura più bassa. Puoi dedurre che i tre tipi di carta hanno assorbito in modo diverso la stessa quantità di calore, esattamente: – le superfici nere o scure assorbono
al massimo il calore irraggiato; – le superfici bianche ne assorbono di meno e tendono a rifletterlo; – le superfici lucenti o riflettenti ne assorbono ancora meno ma piuttosto lo riflettono.
Questo spiega perché nei Paesi caldi le case sono bianche e gli uomini si difendono dall’eccessiva insolazione con lunghi abiti bianchi.
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Effetti e propagazione del calore
La conducibilità termica La rapidità e la capacità con cui il calore si propaga in un corpo dipendono dalla sostanza di cui è composto il corpo; ogni sostanza ha infatti un suo modo di condurre il calore. Verifichiamolo.
La propagazione dipende dalla sostanza Metti una pentola sul fuoco e porta a ebollizione dell’acqua. Inserisci nella pentola due cucchiai, uno di legno e uno di metallo, e aspetta qualche minuto. Prova quindi a toccare l’estremità dei due cucchiai. Che cosa osservi? Riesci a toccarli entrambi o uno è molto più caldo dell’altro? Mentre il cucchiaio di legno è appena tiepido, quello di metallo è… intoccabile.
Possiamo dedurre che nel legno il calore si propaga con difficoltà e lentamente, mentre nell’acciaio si propaga più facilmente e velocemente.
Nei metalli, quindi, il calore si propaga più facilmente; anche fra metallo e metallo, però, la conduzione di calore varia.
LIBRO DIGITALE osservazione animata
Il calore, per conduzione, si propagherà nelle tre sbarrette di metalli diversi e le palline di cera attaccate alle loro estremità cadranno…
rame
ferro
… ma non contemporaneamente. Cadrà prima quella sulla sbarretta di rame, poi quella sulla sbarretta di alluminio e infine quella sulla sbarretta di ferro.
cera
alluminio
rame
ferro
cera
alluminio
Possiamo quindi affermare che: Ogni sostanza ha una sua ben precisa capacità di trasmettere il calore; tale capacità prende il nome di conducibilità termica.
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FISICA E CHIMICA
Conduttori e isolanti sostanza Argento Rame Oro Alluminio Zinco Ferro Acciaio Vetro Acqua Legno Aria
conducibilità 1 0,93 0,70 0,50 0,26 0,14 0,10 0,0015 0,0013 0,00095 0,00006
Elevata
Quanto detto prima ci permette di parlare quindi di sostanze con maggiore o minore conducibilità termica. Nella tabella a fianco puoi leggere la conducibilità termica di alcune sostanze. Come vedi, è elevata nell’argento, nel rame, nell’oro ecc.; è scarsa invece nel vetro, nell’acqua, nel legno, nell’aria ecc. • Sostanze con un’elevata conducibilità termica vengono dette buoni conduttori o semplicemente conduttori. • Sostanze con una scarsa conducibilità termica vengono dette cattivi conduttori o isolanti termici.
CONDUCIBILITÀ TERMICA
CONDUTTORI Argento Rame Oro Alluminio Zinco Ferro
Scarsa
ISOLANTI Vetro Acqua Legno Aria Carta Sughero
SE HAI IMPARATO… Rispondi alle seguenti domande.
- Convezione
In che modo il calore si propaga da un corpo all’altro? - Irraggiamento
Indica che cosa si intende per: - Conduzione
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Che cos’è la conducibilità termica?
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Notizie e curiosità
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Conduttori “cattivi” ma… utili U tilissimi nella nostra vita quotidiana sono proprio i cattivi conduttori o isolanti termici, fra i quali ricordiamo il legno, la porcellana, il polistirolo espanso, la lana, il sughero, le materie plastiche, il cotone e i liquidi e i gas in genere. E per rendercene conto chiediamoci: Perché i mestoli che si usano in cucina sono di legno? Perché i manici delle pentole sono rivestiti di materiale plastico o, se non lo sono, si toccano con i guantoni?
Come fanno gli esquimesi a vivere nei loro igloo? Perché d’inverno ci ripariamo dal freddo con un bel piumino? Perché sfruttiamo la proprietà isolante di alcune sostanze quali il legno, la plastica, la stoffa ma anche l’acqua o l’aria. Il ghiaccio infatti, nello spessore adeguato, assicura a un igloo lo stesso isolamento delle pareti di pietra o di cemento delle nostre case. La lana o un piumino devono il loro potere isolante all’aria che rimane intrappolata tra le fibre del tessuto.
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Salute e sicurezza
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Pericolo ustioni C on il fuoco non si scherza, lo sai benissimo. Anche oggetti o sostanze molto caldi, non solo il fuoco vero e proprio, possono provocare ustioni che, secondo la parte colpita, possono risultare particolarmente gravi.
Tu sapresti come intervenire per affrontare un’emergenza ustione senza peggiorare la situazione in attesa che, se necessario, arrivino un medico o dei soccorritori esperti? Ecco alcuni semplici consigli in caso di ustioni.
Cerca innanzitutto di abbassare la temperatura della parte colpita dal calore o da una sostanza ustionante applicando del ghiaccio o bagnandola con acqua fredda. Questo servirà a evitare il diffondersi dell’ustione in profondità.
Togli subito delicatamente anelli, braccialetti, orologi, cinture ecc. intorno alla parte ustionata prima che possa gonfiarsi.
R icorda inoltre che in caso di ustioni: • • • •
non bisogna mettere cerotti; non vanno applicate pomate o alcol; non vanno forate eventuali vesciche; non bisogna staccare vestiti o altri materiali eventualmente attaccati alla pelle ustionata.
Per sicurezza, specie se la parte ustionata è estesa, portare la persona ustionata al pronto soccorso.
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Copri quindi la parte ustionata con un tessuto pulito che non perda peli.
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Effetti e propagazione del calore
Si dice dilatazione termica l’effetto del calore per cui un corpo quando viene riscaldato subisce un aumento di volume.
Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per far aumentare di 1 °C, da 14,5 °C a 15,5 °C, la temperatura dell’unità di massa della sostanza considerata.
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Senza alcun contatto fra corpi e in assenza di materia, il calore si propaga per irraggiamento, “viaggiando” su radiazioni invisibili dette radiazioni termiche.
Le varie sostanze assorbono in modo diverso una stessa quantità di calore: • le superfici nere o scure assorbono al massimo il calore irraggiato; • le superfici bianche ne assorbono di meno e tendono a rifletterlo; • le superfici lucenti o riflettenti ne assorbono ancora meno ma piuttosto lo riflettono.
Il calore tende spontaneamente a passare sempre da un corpo più caldo a uno meno caldo. Il calore si propaga da un corpo all’altro passando sempre da quello a temperatura più elevata a quello a temperatura meno elevata, finché i due corpi non raggiungono la stessa temperatura, cioè l’equilibrio termico. In un corpo solido il calore si propaga per conduzione, senza spostamento di materia, ma solo con un trasferimento di energia termica da molecola a molecola. Nei liquidi e negli aeriformi il calore si propaga per convezione, con spostamenti della materia che, creando movimenti detti moti convettivi, trasporta il calore in tutte le parti.
Ovvero: Ogni sostanza ha una sua ben precisa capacità di trasmettere il calore; tale capacità prende il nome di conducibilità termica. Sostanze con un’elevata conducibilità termica vengono dette buoni conduttori o semplicemente conduttori. Sostanze con una scarsa conducibilità termica vengono dette cattivi conduttori o isolanti termici.
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FISICA E CHIMICA
Parole chiave Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Dilatazione termica Calore specifico Equilibrio termico Conduzione
Convezione Moti convettivi Radiazioni termiche Irraggiamento
Conducibilità termica Conduttori Isolanti termici
Verifica Ciò che Cio sai
1. Descrivi il fenomeno della dilatazione ter- 6. Completa. mica di un corpo.
Nei liquidi e negli aeriformi il calore si propaga per , cioè
2. Che cos’è il calore specifico di una sostanza? 3. Quale delle seguenti affermazioni è vera? 7. Completa. Senza contatto fra corpi e in assenza di materia il a Il calore si propaga passando sempre da un cor-
po più caldo a uno meno caldo. b Il calore si propaga passando sempre da un corpo meno caldo a uno più caldo. c Il calore si propaga passando da un corpo meno caldo a uno più caldo e viceversa.
4. Che cosa si intende per equilibrio termico?
calore si propaga per cioè
,
8. Che cosa si intende per conducibilità termica? 9. Completa. a) Si dicono conduttori le sostanze
, come ad esempio
5. Completa. In un corpo solido il calore si propaga per
b) Si dicono isolanti le sostanze
, cioè
, come ad esempio
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Effetti e propagazione del calore
Ciò che Cio sai fare
10. Osserva le figure e rispondi.
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14. Osserva le figure e completa.
I tre recipienti contengono una stessa quantità di tre sostanze diverse alla stessa temperatura. Riscaldate con una uguale fonte di calore raggiungeranno la stessa temperatura? acqua
olio
terra asciutta
a) Quale fenomeno è raffigurato a destra?
b) Dopo il riscaldamento, la vite passerà anco-
Perché?
ra nell’anello come nella figura a sinistra? c) Perché?
15. Osserva, segna l’ipotesi esatta e giustifi11. Contengono una maggiore quantità di calore 10 litri di acqua a 80 °C o 20 litri di acqua a 80 °C? Perché?
cala. Per aprire il barattolo pensi che sia meglio: a riscaldare tutto. b riscaldare solo il barattolo. c riscaldare solo il coperchio.
Perché?
12. Quanto
calore è necessario per portare 500 g di acqua dalla temperatura di 55 °C alla temperatura di 90 °C?
16. Osserva e colora le frecce che rappresentano il giusto verso di propagazione del calore. recipiente con ghiaccio
13. Segna il completamento esatto. Mescolando 100 g di acqua a 20 °C con 400 g di acqua a 60 °C, si ottengono: a 500 g di acqua a 60 °C. b 500 g di acqua a 80 °C. c 500 g di acqua a 40 °C.
acqua bollente
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17. Osserva la figura e segna l’ipotesi esatta.
21. Osserva la figura.
a Il latte freddo cede il suo freddo al latte
caldo e nel bicchiere si avrà latte tiepido. b Il latte caldo cede il suo caldo al latte freddo e nel bicchiere si avrà latte tiepido. c Nel bicchiere troveremo latte freddo e latte caldo che finiranno per mischiarsi.
18. Osserva la figura e stabilisci in che modo sta avvenendo la propagazione del calore: a) tra il fornello e il pentolino: b) nell’acqua: c) tra il fornello e la mano:
1
2
Nei due piattini (1, 2) è stato messo del ghiaccio, uno è stato poi coperto con un cartoncino bianco e l’altro con uno nero. In quale dei due piattini il ghiaccio fonderà prima? Perché?
19. Osserva la figura e completa le affermazioni. a) Al calore della candela la spirale b) Questo fenomeno è la prova che nell’aria,
per effetto del calore, si determinano
22. Osserva la figura e rispondi. a) Dove si scioglierà per
prima la goccia di cera? b) Dove per ultima?
c) E quindi nell’aria il calore si propaga per
c) Perché?
20. Osserva le figure e segna quella o quelle dove il calore si sta propagando senza trasporto di materia.
23. Distingui le sostanze elencate in conduttori e isolanti. Ferro, argento, plastica, alluminio, vetro, lana, oro, legno, aria, acqua, carta, acciaio, polistirolo, sughero, sabbia. a
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b
c