Al caldo, al freddo

Fare per capire
Laboratorio di scienze
Al caldo, al freddo
Per capire il comportamento dei materiali con il caldo e con il freddo bisogna
immaginare di smontare le particelle che li compongono fino ad ottenere gli elementi
semplici che costituiscono la loro struttura. Negli esperimenti che ti vengono suggeriti in
questo laboratorio osserverai il comportamento di alcuni materiali con il caldo e il
freddo, in modo particolare dell’acqua.
La struttura dei materiali
Tutti i materiali sono formati da particelle microscopiche, invisibili a occhio nudo, che si
chiamano molecole. Le molecole sono le particelle più piccole che mantengono le
proprietà di quel materiale.
Le molecole a loro volta sono composte di parti ancora più piccole che si chiamano
atomi.
Per capire dobbiamo costruirci un modello: immaginiamo che gli atomi siano dei
mattoncini, gli atomi sono di tanti tipi e ognuno lo rappresenteremo con un mattoncino
di colore diverso. Le molecole sono delle piccole costruzioni fatte mettendo insieme
mattoncini di vari colori secondo regole stabilite dalla natura.
Quando ho costruito una molecola, ho creato una particella di materiale con delle
caratteristiche ben precise: la molecola di acqua, di zucchero, di anidride carbonica….
Alcune molecole sono più semplici, cioè sono fatte da pochi atomi, altre, ad esempio
quella dello zucchero, sono molto complesse.
ATOMI
MOLECOLE
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Ma come fanno a stare attaccate le molecole e formare un materiale da toccare, vedere,
trasformare? Le molecole sono tenute attaccate le une alle altre da una forza speciale:
immagina ogni molecola come una calamita che tiene attaccate a sé tutte le altre
molecole. Questa forza si chiama forza di coesione.
Facciamo un esempio con l’acqua. Se la forza di coesione è fortissima l’acqua è allo
stato solido e le molecole sono praticamente ferme, se è meno forte l’acqua è allo stato
liquido e le molecole si muovono abbastanza velocemente scivolando una sull’altra, ma
non riescono a mantenere una forma precisa e quindi prendono quella del recipiente che
le contiene. Se l’acqua viene ulteriormente riscaldata si trasforma in un gas, cioè
evapora: le molecole sono in agitazione e, ormai slegate le une dalle altre, vanno a
disperdersi nell’aria circostante.
Tutti i materiali evaporano, se vengono riscaldati alla temperatura giusta, non solo
l’acqua: hai mai notato come si sporcano di grasso i mobili della cucina per
l’evaporazione dei grassi che si usano per cucinare?
Il caldo e il freddo agiscono infatti sulle forze di coesione tra le molecole e producono
un cambiamento di stato facendo sì che un materiale passi dallo stato liquido a quello
solido o da quello liquido a quello gassoso. La temperatura però a cui avvengono i
cambiamenti di stato è diversa da materiale a materiale.
Se riscaldi o se raffreddi un materiale puoi far cambiare anche un’altra sua caratteristica
importante che si chiama densità. Di solito se riscaldi un materiale le sue molecole si
agitano e si allontanano tra di loro, tu te ne accorgi perché il materiale si dilata. Il suo
peso non cambia, ma il volume sì, quindi il materiale diventa meno denso. L’acqua è un
materiale un po’ speciale perché a differenza degli altri si dilata sia quando viene
riscaldato e si trasforma in vapore, sia quando viene raffreddato e diventa ghiaccio,
questo è il motivo per cui il ghiaccio galleggia sull’acqua, è meno denso. Le sue
molecole, quando si attaccano per formare il ghiaccio, lasciano tanti spazi vuoti e quindi
l’acqua diventa più leggera. Come succede a te e ai tuoi compagni se volete fare un
girotondo: se vi mettete vicini, spalla contro spalla, occupate meno spazio di quando vi
date la mano per formare il cerchio.
Un materiale più denso a parità di volume pesa di più di uno meno denso.
Meno denso
Più
denso
1 kg
0,8 kg
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Evaporazione e condensazione
Ora farai alcune esperienze sui cambiamenti di stato utilizzando l’acqua e gli strumenti
indicati. Rispondi per scritto alle domande e poi confronta le tue risposte con le
spiegazioni contenute nelle pagine seguenti. Prova anche a raccontare la storia di una
gocciolina di acqua e illustrala in modo che si capisca bene cosa succede alle sue
particelle (molecole) quando cambia di stato.
Esperienza 1
Materiali: un piatto fondo, un barattolo di vetro, acqua.
Attività: Prendi il piatto fondo e il barattolo di vetro, versa in ognuno la stessa quantità
di acqua, segna con un pennarello il livello dell’acqua e mettili al sole. Dopo un certo
periodo di tempo controlla la situazione e vedrai che in entrambi i recipienti l'acqua è
diminuita. Ma dove è diminuita di più?
Segna il livello raggiunto dall’acqua nel barattolo, poi buttala via e versa nel barattolo
l’acqua rimasta nel piatto: i livelli sono uguali? Perché? Come ti spieghi quel che è
successo?
Esperienza 2
Materiali: due fazzoletti uguali, acqua.
Attività: Prendi due fazzoletti uguali, immergili nell’acqua e poi strizzali in modo che
siano bagnati nello stesso modo. Mettili entrambi ad asciugare all’ombra, posizionane
però uno in un posto molto arieggiato e l’altro in un posto più riparato. Che cosa ti
aspetti che succeda?
Esperienza 3
Materiali: un pentolino, acqua, un fornellino elettrico, un termometro da liquidi che
misuri oltre 100°.
Attività: Prendi il pentolino e riempilo di acqua, scalda l’acqua sul fornellino elettrico
misurando la temperatura con il termometro ogni due minuti (fai attenzione a non far
toccare il bulbo sul fondo del pentolino perché l’alta temperatura potrebbe far scoppiare
il termometro).
Descrivi quel che succede: a quale temperatura dell’acqua comincia la formazione di
bolle sul fondo del pentolino? Se metti un cucchiaio sopra il vapore che esce vedi che si
formano delle goccioline: sai spiegare perché il vapore è ridiventato acqua?
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Esperienza 4
Materiali: un imbuto, un tubo di plastica trasparente lungo circa 1 metro, un barattolo di
vetro, un pentolino, acqua, fornellino elettrico.
Attività: Prendi un imbuto e infila nella sua punta un tubo di plastica trasparente, l’altra
estremità del tubo deve terminare in un barattolo di vetro. Ora tieni l’imbuto sul
pentolino, ad una certa distanza per non bruciarti, e fai scaldare l’acqua. Il vapore entra
nell'imbuto, passa dentro il tubo e fuoriesce nel barattolo.
Che cosa succede al vapore mentre passa nel tubo?
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Spiegazioni
Esperienza 1
Maggiore è la superficie dell'acqua a contatto con l’aria, maggiore è la quantità d'acqua
che evapora in un certo tempo, quindi nel piatto l’acqua è evaporata più in fretta.
Esperienza 2
Il fazzoletto steso nella zona ventilata è asciugato più rapidamente perché la ventilazione
rende più veloce l’evaporazione.
Esperienza 3
L’acqua comincia a trasformarsi in vapore molto prima dei 100° e quando comincia a
bollire la sua temperatura non aumenta più, rimane intorno ai 100°. Sul cucchiaio, che è
più freddo, si formano goccioline perché il vapore si condensa a causa
dell’abbassamento della temperatura.
Esperienza 4
Il vapore acqueo, raffreddandosi, torna allo stato liquido e quindi, poco per volta, si
trasforma in goccioline che diventano sempre più grosse finché scorrendo nel tubo
vanno a finire nel barattolo.
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Scambi di calore, variazioni di densità
Abbiamo detto che con il calore la densità di un materiale diminuisce e quindi diventa
più leggero. Stai a vedere che cosa succede all’acqua e a dei coloranti: resterai
meravigliato!
Materiale: 2 contenitori di plastica o di vetro trasparenti, 2 boccette di vetro con tappo,
acqua calda e fredda, colorante alimentare, etichette adesive.
Attività: Etichetta i contenitori con le lettere A e B; riempi il contenitore A con acqua
fredda e il contenitore B con acqua calda
Riempi una delle due boccette con acqua calda colorata, tappala e immergila nel
contenitore A, riempi l’altra boccetta con acqua fredda colorata, tappala e immergila nel
contenitore B.
A
B
A
B
Metti i due contenitori vicini per poter confrontare ciò che succede e poi togli i tappi
dalle due boccette.
Nel contenitore A, l’acqua calda colorata contenuta nella boccetta, esce da questa, sale e,
a poco a poco, colora l’acqua fredda cominciando dall’alto e andando verso il basso.
Nel contenitore B, l’acqua fredda colorata contenuta nella boccetta si muove verso l’alto
ma non riesce ad uscire.
Come puoi spiegare quel che è successo facendo riferimento al caldo, al freddo e alla
densità?
Scrivi che cosa pensi e poi leggi la spiegazione nella pagina successiva.
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Spiegazione
L’acqua calda ha una densità minore di quella fredda, quindi tende a “galleggiare” su
quella fredda.
Nel caso A l’acqua calda esce dalla boccettina e sale verso l’alto, ma a mano a mano che
incontra acqua fredda, si raffredda, diventa più densa, pesa di più e quindi comincia a
scendere.
Nel caso B, invece, l’acqua calda del contenitore fa riscaldare poco per volta l’acqua
fredda colorata che inizia così a muoversi verso l’alto all’interno della boccettina ma
non riesce a uscire: perché?
Per uscire dovrebbe essere meno densa dell’acqua calda che la circonda, ma siccome
l’acqua nella boccettina è fredda non può diventare meno densa dell’acqua calda.
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La fusione della cera
Ora lavorerai con un materiale diverso dall’acqua, la cera, vedrai che cosa succede con il
caldo e il freddo e potrai confrontarlo con quel che succedeva all’acqua.
Materiali: candele bianche, avanzi di pastelli a cera, campioni di profumo, fornello
elettrico, pentola, pentolini con beccuccio, cucchiaio di metallo, coltello, stoppino
rigido, mollette da bucato, bicchierini di plastica da caffé, plastilina, termometri da 100°,
fiammiferi.
Attività: osserva, tocca, annusa, rompi la candela e scrivi quali sono le caratteristiche
della cera (colore, odore, consistenza, durezza…).
Metti la cera in un pentolino e tieni da parte lo stoppino. Prepara un pentolino più grande
con dell’acqua dentro e mettici il pentolino con la cera. Ora metti il pentolino con
l’acqua sul fornellino.
Prima di accendere il fornellino prepara gli stampini per dare forma alla cera quando
sarà fusa: fai un piccolo foro sul fondo dei bicchierini da caffé e infila lo stoppino,
bloccalo sul fondo con della plastilina e fissalo in modo che sia ben diritto usando una
molletta da bucato appoggiata sul bordo del bicchierino.
Ora accendi il fornellino e fai fondere la cera controllando con i termometri a intervalli
di tempo regolari sia la sua temperatura sia quella dell’acqua.
Che cosa osservi durante la fusione della cera? Che cosa vedi e che cosa senti? Che cosa
segna il termometro nella cera? E quello nell’acqua? Segna su un foglio come cresce la
temperatura col passare del tempo.
Quando la cera è fusa, aggiungi dei pezzi di pastello a cera per avere il colore desiderato
e qualche goccia di profumo. Mescola bene.
Versa il composto negli stampini, facendo in modo che lo stoppino rimanga al centro.
Lascia passare il tempo necessario prima di estrarre le candele dagli stampi.
Che cosa osservi durante la solidificazione della cera? Per vedere meglio, fai cadere
prima una goccia di cera fusa, poi più gocce una sull’altra, su una superficie liscia.
Riesci ad immaginare che cosa succede alle particelle (molecole) di cera durante il
processo di fusione e di solidificazione? Ci sono proprietà che rimangono inalterate?
Prova a rappresentalo con un disegno.
Compila una tabella a tre colonne: sulla prima colonna segna il tempo e sulle altre due la
temperatura dell’acqua e della cera. Puoi fare un grafico cartesiano per mettere a
confronto le due temperature e fare le tue considerazioni.
(Adattato da: Corso di formazione 2002-3 – Progetto SeT – Scienza in Rete – Circoli didattici 1 di Pinerolo e 3 di
Carmagnola, Istituto Comprensivo Gouthier di Perosa Argentina - LUCE, CALORE, CORPO: I PERCORSI
DELL'ENERGIA - Laboratori degli insegnanti condotti da Laura BASSINO e Nuccia MALDERA)
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In acqua bollente e in acqua gelata…
Quando fai dei miscugli con l’acqua, il comportamento dei materiali varia, se usi acqua
molto calda o acqua molto fredda. Osserva quel che succede e mettilo a confronto con
quanto hai imparato con le esperienze precedenti; cerca di dare delle spiegazioni per ciò
che vedi succedere pensando alla struttura dei materiali.
Materiali: acqua molto calda, acqua prelevata dal freezer prima che ghiacci, bicchieri
grandi di plastica trasparente, contagocce, cucchiaini, sciroppo di menta, detersivo
liquido per piatti (denso e colorato), miele, ritagli di carta crespa (non utilizzare quella
dei fiorai).
Per ogni esperienza:
- osserva e annota che cosa succede subito, dopo un po’ di tempo, dopo molto
tempo;
- rappresenta con dei disegni ciò che vedi e ciò che immagini succeda a livello
microscopico.
Esperienza 1
Riempi un bicchiere con acqua molto calda e un bicchiere con acqua fredda quasi gelata,
utilizzando il contagocce, fai cadere sulla superficie dell’acqua prima una e poi alcune
gocce di sciroppo di menta.
Ripeti l’esperienza con il detersivo e con il miele (se fosse troppo denso per essere
prelevato con il contagocce, utilizza il cucchiaino e prova a far cadere il miele senza
toccare il pelo dell’acqua).
Esperienza 2
Taglia 4 pezzi di carta crespa, delle stesse dimensioni e dello stesso colore, e da due di
loro ricava due palline. Utilizza due bicchieri d'acqua bollente e due d'acqua gelata e
sulle superfici adagia rispettivamente i pezzettini di carta lasciata distesa e le palline.
In un secondo momento prova a ipotizzare più modi per avere una maggiore o una
minore concentrazione del colore utilizzando sempre l’acqua e la carta crespa.
Cambia il comportamento dei materiali a contatto con l’acqua calda o fredda?
Scrivi infine un testo nel quale spieghi che cosa hai capito durante queste esperienze.
(Adattato da: Corso di formazione 2002-3 – Progetto SeT – Scienza in Rete – Circoli didattici 1 di Pinerolo e 3 di
Carmagnola, Istituto Comprensivo Gouthier di Perosa Argentina - LUCE, CALORE, CORPO: I PERCORSI
DELL'ENERGIA - Laboratori degli insegnanti condotti da Laura BASSINO e Nuccia MALDERA)
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