Insegnare fisica/Didattica tradizionale/Calore e dilatazioni

Dalle sensazioni termiche ai concetti fisici

Valutazioni sperimentali

Un primo passo essenziale quando si tratta di termologia consiste nel far capire agli studenti la differenza tra temperatura e sensazione di calore. Per far questo, e per eliminare molti preconcetti sulla natura della trasmissione termica, consigliamo questi semplici esperimenti replicabili anche in classe:

1. toccare vari oggetti nella stanza (legno, metallo, polistirolo, lana, ecc.), facendo una graduatoria dal più caldo al più freddo; quindi misurare la temperatura con un termometro degli stessi oggetti, facendo una graduatoria in ordine di temperatura. Confrontare quindi le due graduatorie.
2. Prendere tre cubetti di ghiaccio e avvolgere uno in un panno di cotone, uno in un panno di lana e uno appoggiarlo direttamente sul banco. Prevedere quale fonderà più rapidamente e verificare
3. Posare un cubetto di ghiaccio su una tavoletta di legno e un altro uguale su un coperchio metallico. Osservare cosa succede.
4. Prendere tre boccette contenenti acqua, alcol ed etere e misurare la temperatura dei tre liquidi. Versare dalle boccette sulla ano alcune gocce di acqua, di alcol e di etere e rilevare le differenti sensazioni di freddo.

E' bene precisare che i precedenti esempi non sono mirati a rilevare gli "errori" dei nostri sensi, ma piuttosto come questi si basino su differenti priorità rispetto alla temperatura (la temperatura di un oggetto che si tocca dipende dalla temperatura, ma anche dalla sua capacità e dalla sua conducibilità termica. Il ruolo della capacità termica e della massa può essere evidenziato toccando con la mano una piccola moneta e un oggetto metallico di grandi dimensioni come una pentola).

Valutazioni teoriche

Sempre in merito al gran numero di studenti che hanno difficoltà a distinguere tra calore e temperatura, può essere utile anche metterli di fronte ai seguenti fatti:

1. Quando un secchio d’acqua bollente è posto in una stanza, il valore segnato dal termometro nel secchio diminuisce sempre, avvicinandosi al valore indicato dal termometro appeso al muro della stanza.
2. Quando un secchio d’acqua fredda è posto in una stanza, il valore segnato dal termometro nel secchio aumenta sempre, avvicinandosi al valore indicato dal termometro appeso al muro della stanza.
3. Quando due oggetti con diverse temperature sono portati a contatto l’uno con l’altro, la temperatura di quello più caldo diminuisce sempre, mentre quella del corpo più freddo aumenta sempre fino a che le due temperature non siano uguali.
4. Quando due oggetti alla stessa temperatura sono uniti insieme, non avviene alcun cambiamento.

In questa maniera è possibile introdurre il concetto di equilibrio termico. Il passo successivo è mettere al corrente gli studenti che, oltre all'equilibrio termico, accade anche qualcos'altro. Per far ciò può essere utile introdurre i seguenti esempi:

• Nel caso dell'esempio 1 visto sopra, se copro i secchi con cotone o qualsiasi altro materiale isolante termicamente, questi ci mettono molto più tempo a raggiungere la stessa temperatura indicata dalla stanza.
• Se riscaldiamo due recipienti di acqua di dimensioni diverse partendo alla stessa temperatura, quello più piccolo impiegherà meno tempo a riscaldarsi di quello più grande.
• Se congeliamo (o fondiamo) qualche sostanza, il congelamento (o la fusione) non può avvenire senza un "bagno" di sostanza che circondi la prima a temperatura minore (maggiore). Durante il congelamento (la fusione) il materiale non subisce variazioni di temperatura finché non è completamente congelato (fuso) (se gli studenti non sono a conoscenza di questo fatto, sarebbe utile una dimostrazione sperimentale).

Tutti questi esempi testimoniano che il valore letto sul termometro non ci dice tutto sull'interazione termica del sistema: dovrà esistere un processo di interazione a cui noi assegneremo il nome di "passaggio di calore dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa".

Dilatazione termica

La visualizzazione della dilatazione termica

Questo argomento viene spesso trascurato in favore di altri, il che è legittimo, ma bisogna considerare che così facendo solitamente gli studenti rimangono con alcune grosse lacune. Per esempio, molti di loro non riescono a riconoscere che l'esistenza dell'espansione lineare in tutte le direzioni implica che tutte le lunghezze, tutte le aree e tutti gli elementi di volume di un oggetto si espandono simultaneamente. In questo modo non vedono che aumenta di lunghezza solo il diametro, ma anche la circonferenza, in ogni cerchio che venga disegnato sull'oggetto.

Se si vuole far capire l'espansione termica, bisogna guidare gli studenti ad affrontare, oltre ai soliti esercizi numerici, anche i fenomeni qualitativi. In questo caso è necessario visualizzare i dettagli di effetti che non possono essere visti direttamente. Esercizi di questo genere sono essenziali nella formazione della capacità di ragionamento logico astratto e di quella di usare i concetti come base per comprensione di fenomeni più complessi.

Bibliografia

• (EN) Arnold B. Arons, Teaching introductory physics, New York, Wiley publication, 1997, pp. Chapter 11, ISBN 0-471-13707-3.
• (IT) Ugo Besson, Didattica della fisica, Roma, Carrocci editore, 2017, pp. 152-157, ISBN 978-88-430-7735-9.