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1.6 si propaga il calore: conduzione,convezione e irraggiamento
L’insegnante propone agli allievi singolarmente una scheda:
provate a descrivere cosa succede:
contatto tra il ferro da stiro su un vestito ……………………………………………….
contatto tra la nostra mano e cubetti di ghiaccio……………………………………….
Oggetto esposto al sole ………………………………………………………………….
Asciugacapelli sui nostri capelli ………………………………………………………….
C’è qualche differenza tra i diversi fenomeni? SI NO
Se si, quale? ……………………………………………………………………….
Proviamo a realizzare 3 esperimenti con la classe, direttamente fatti da loro:
1) teniamo in mano l’estremita’ di un cucchiaino metallico e immergiamo l’altra estremita’ in un recipiente che contiene acqua bollente. Cosa succede? L’estremita’ del cucchiaino diventa cosi’ calda da non poter piu’ essere tenuta in mano.
2) immergiamo verticalmente un tubicino di vetro in un grosso recipiente di vetro pieno di acqua fredda. Attraverso il tubicino, lasciamo cadere nell’acqua un cristallo di permanganato di potassio. Rimuoviamo con attenzione il tubo in modo che solo una piccola parte di colorante venga ceduta all’acqua. Scaldiamo il contenitore ponendolo su una fiamma molto leggera. Cosa succede? L’acqua piu’ vicina alla sorgente di colore, vale a dire quella piu’ vicina al fondo del contenitore, si sposta verso l’alto, mentre l’acqua piu’ fredda, nella parte superiore, si sposta verso il basso.
3) procuriamo una stufetta elettrica e uno specchio abbastanza grosso: poniamo una persona in piedi accanto alla stufetta in modo che non possa avvertirne il calore. Mettiamo una seconda persona in piedi davanti alla stufetta con lo specchio in mano, in modo che la prima persona possa vedere la stufetta nello specchio. La prima persona riesce a percepire il calore solo quando lo specchio è rivolto nella sua direzione.
L’insegnante riprende la situazione: cosa abbiamo visto? Qual è la differenza tra i primi due casi?Nel primo caso vi è trasferimento di calore dal corpo piu’ caldo a quello piu’ freddo. E nel secondo caso? A differenza del primo caso, il trasferimento di calore avviene tramite lo spostamento di materia in pratica vediamo qualcosa che si muove. E nel terzo caso? Non c’è niente che si muove, ma neanche contatto tra due corpi: come mai sentiamo calore? Avviene trasmissione di calore tramite raggi. L’insegnante da’ un nome ai tre fenomeni:
1° CASO : CONDUZIONE
2° CASO : CONVEZIONE
3° CASO . IRRAGGIAMENTO
.[E1]
Tornando alla scheda : alla luce di quanto visto, date un nome ai diversi fenomeni della scheda e spiegate le differenze.[I1]
LA CONDUZIONE
Il trasferimento per conduzione avviene tra corpi che sono a contatto, o tra parti di uno stesso corpo che si trovano a temperature diverse. Esso è causato dal trasferimento di energia cinetica da una molecola a quella adiacente che possiede una velocità di vibrazione minore. Poiché la velocità di vibrazione delle particelle è direttamente proporzionale alla temperatura, il corpo caldo cede energia a quello freddo, aumentandone la temperatura, finché non è raggiunto l’equilibrio termico. Prendiamo ad esempio, due corpi a temperature diverse. Una volta posti in contatto, per conduzione il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, finché essi raggiungono una temperatura d’equilibrio.
LA CONVEZIONE
La convezione ha luogo quando uno dei due corpi interessati dallo scambio termico è un fluido, e la trasmissione del calore può essere associata ad un trasferimento di materia. In un fluido a temperatura non uniforme, per effetto combinato di un campo di temperatura e di velocità, si determina una distribuzione dei valori di densità variabile da punto a punto, conseguenza dei fenomeni di dilatazione termica. In questi casi le forze gravitazionali provocano continui movimenti delle particelle del fluido, con conseguente miscelazione, favorendo pertanto la trasmissione del calore dalle particelle più calde a quelle più fredde. Questo fenomeno prende il nome di convezione naturale. Quando invece i movimenti delle particelle del fluido sono imposti essenzialmente da cause meccaniche (una pompa, nel caso di circolazione dell’acqua, o semplicemente l’azione del vento), il fenomeno prende il nome di convezione forzata. Ad esempio si ha convezione quando tra due corpi circola un fluido intermedio (detto fluido termovettore), che si riscalda per conduzione a contatto con il corpo caldo, e poi cede il calore quando viene a contatto con il corpo freddo. In entrambi i casi, la quantità di calore scambiata è proporzionale alla differenza di temperatura
L'IRRAGGIAMENTO
Nell’irraggiamento il calore viene scambiato mediante emissione e assorbimento di radiazione elettromagnetica. Il calore così scambiato aumenta molto rapidamente con la differenza di temperatura.
A differenza delle altre due modalità di scambio termico, l’irraggiamento non richiede la presenza di un mezzo perché vi sia trasmissione di energia. La radiazione elettromagnetica che opera da "trasmettitore"di calore, è generata dall’eccitazione termica della superficie del corpo, a sua volta causata dallo stato energetico degli atomi che la costituiscono, ed è emessa in tutte le direzioni.
Quindi in questo caso il corpo avente temperatura maggiore emette radiazioni elettromagnetiche che vengono assorbite dal corpo più freddo, come si vede in figura 3 (nella figura sono rappresentate soltanto le radiazioni termiche che investono il corpo freddo).
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