Energia - catena energetica

Classi IV - V elementare e I media

Il concetto di energia è il più legato allo specifico disciplinare tra quelli previsti in questo percorso. È la pervasività e l'utilità del concetto di energia, in tutte le discipline scientifiche, che lo rendono generale e ne giustificano l'inserimento nel percorso. Anche le numerose misconcezioni che possono nascere intorno al concetto di energia ne giustificano un inserimento precoce, almeno per quegli aspetti controllabili mediante semplici esperienze.

Il chiarimento completo del concetto di energia non è possibile. Anche i più grandi fisici del nostro tempo non saprebbero darne una definizione univoca. Sappiamo che nessuno di noi ha visto l'energia. Eppure si parla di "consumo e risparmio energetico", di "fonti" di energia, si paga l'energia un tanto al chilo(wattora), così come un qualsiasi prodotto alimentare. Nonostante ciò nessuno ritiene che essa possa essere contenuta o fluire, come un liquido di qualche consistenza. Questa riflessione ci induce a ricordare il potere del linguaggio: neppure l'interazione è visibile nella sua essenza, eppure abbiamo imparato a riconoscerne le evidenze; non possiamo vedere il materiale, ma possiamo vedere e toccare il legno, il ferro, ecc. La capacità di inventare termini che ci staccano dagli aspetti percettivi della realtà, per generalizzare e rendere comprensibile quest'ultima, é connaturata nel linguaggio umano ed é già attiva fin dalla primissima infanzia. Quello che rende comprensibili, prima, e utili poi, termini astratti come interazione o energia, non è la caratteristica della concretezza, ma la ricchezza e la varietà dei contesti in cui tali termini sono utilizzati nel dialogo sociale, in classe, in casa ecc.

Gli obiettivi principali di quest'unità sono:

• che gli allievi riconoscano l'esistenza di diverse forme di energia e di trasferimento dell'energia;
• che gli allievi sappiano seguire la "propagazione" e le trasformazioni dell'energia tra le varie forme, riconoscendo una sorgente, un mezzo di trasmissione, un'utilizzazione, una dispersione.

L'idea di energia che gli allievi possono ricavare, a questo livello, è che essa "misuri" la capacità di indurre trasformazioni nei sistemi. Le virgolette indicano che non esiste, praticamente, uno strumento atto a dare una misura diretta dell'energia, analogo a un termometro per la misura della temperatura. In prima media abbiamo inserito alcune esperienze in cui la misura dell'energia in joule o in calorie è ricavata indirettamente, da misure di variazioni di temperatura. Tutte le altre esperienze sono qualitative. In questa forma, il concetto di energia è un'estensione di quello di interazione: non c'è trasferimento di energia tra due sistemi senza interazione, e non c'è interazione che non comporti scambio energetico. Tra le attività proposte ce ne sono alcune che evidenziano le interazioni a distanza e il trasferimento di energia ad esse associato. Quando l'energia si trasferisce da un sistema all'altro, non subisce diminuzioni, almeno in termini quantitativi. Quando gli scienziati trovano un "buco" nel calcolo dell'energia, per prima cosa si mettono alla ricerca di un'interazione sfuggita all'esame sperimentale. In termini qualitativi, ad ogni trasformazione l'energia subisce una "degradazione", disperdendosi in tante forme e divenendo quindi sempre meno utilizzabile.

Un'utile distinzione va fatta sulle forme di energia che un sistema può possedere. Tutte le forme di energia si suddividono in potenziale e cinetica. L'energia potenziale è energia "in deposito", come quella contenuta in un chilo di spaghetti, in un litro di benzina, in una batteria carica, in una molla compressa. L'energia cinetica é invece posseduta da oggetti in moto, come un'auto sull'autostrada, le stesse ruote che girano, l'aria che esce da un palloncino, l'acqua di una cascata e le pale della turbina da essa poste in rotazione, la molla che schizza via. Tutte le forme note di energia (luminosa, elettrica, sonora, chimica, termica, meccanica ecc.) sono riconducibili ad una delle due, cinetica o potenziale, o risultano da una sovrapposizione di entrambe.

Anche i modi in cui l'energia si trasferisce da un sistema all'altro, sono essenzialmente due: il lavoro e il calore. Se un sistema guadagna energia da un altro, a causa dell'azione di forze non equilibrate (come differenze di pressione o differenze di tensione elettrica), cosa che in genere produce movimento, si parla di lavoro. I motori sono macchine fatte per trasferire energia il più possibile sotto forma di lavoro. Se invece un sistema riceve energia da un altro senza che ci siano parti meccaniche in movimento, senza tensioni o forze non equilibrate, ma solo in virtù di differenze di temperatura, allora la forma di trasferimento si chiama calore. Va sa sé che un sistema "caldo" non "possiede" calore, così come un motore o un serbatoio pieno di benzina non "possiedono" lavoro. Il lavoro e il calore non sono forme di energia, ma modi diversi di trasferire l'energia da un sistema all'altro.

Occorre chiarire anche il ruolo della temperatura. Un corpo é percepito caldo quando si trova a temperatura più alta di quella del corpo umano o, pur essendo a temperatura un po' più bassa, quando é capace di rallentare la fuga di calore verso l'ambiente. Una camicia e una maglia di lana, pur trovandosi alla stessa temperatura, un po' inferiore a quella corporea, ci danno, infatti, sensazioni diverse indossandole al mattino. In termini soggettivi, quindi, l'aggettivo "caldo" fa riferimento sia alla temperatura, sia alla capacità di isolare il calore, e da qui nasce la confusione. In termini oggettivi e scientifici, invece, l'aggettivo "caldo" fa riferimento esclusivamente alla temperatura. La temperatura é una proprietà di un corpo: possiamo dire che un corpo é ad una certa temperatura; non possiamo dire, invece, che esso sia ad un certo "calore", o "grado di calore", come si riscontra in molti articoli di giornale. Il calore non è una proprietà di un corpo, ma una quantità di energia trasferita tra due sistemi a temperatura diversa.

PREREQUISITI

proprietà, sistema, interazione, variabile, misura.

ATTIVITÀ PROPOSTE

Esplorazione

Per l'esplorazione i gruppi hanno a disposizione: pila piatta da 4,5 V, lampadina, motorino elettrico; trottola; automobilina con carica a molla o a volano. Gli allievi hanno la consegna di produrre delle interazioni con gli oggetti assegnati e di scrivere tutte le evidenze sul quaderno.

Invenzione

L'insegnante scrive alla lavagna tutte le evidenze delle interazioni, rilevate dai gruppi durante l'esplorazione. In tutti i fenomeni di interazione esplorati c'é una sorgente, un trasferimento, un utilizzo, una degradazione. La causa di queste trasformazioni, che si trasferisce nelle interazioni, da un sotto-sistema all'altro, è chiamata energia. Per illustrare la catena energetica l'insegnante riordina le osservazioni dei gruppi di lavoro, precisando, caso per caso, la sorgente, il mezzo di scambio, l'utilizzatore e la degradazione dell'energia.

Per rinforzare il concetto l'insegnante apre un fermaglio e lo piega ripetutamente. Gli allievi ripeteranno l'esperimento e sentiranno sulle labbra che il fermaglio si è riscaldato. Nell'interazione con le mani si è trasferita energia al fermaglio. L'aumento di temperatura testimonia che l'energia interna del fermaglio è aumentata. Dopo pochi secondi il fermaglio non sarà più caldo perché l'energia si trasferirà all'aria che lo circonda, disperdendosi.

Si chiede agli allievi di portare ulteriori eseMIUR - Area Sistemi Informativi di forme di energia e di trasformazioni di energia. Per eseMIUR - Area Sistemi Informativio:

• Qual é la sorgente di energia che fa muovere l'automobile?
• Qual é la sorgente energetica del "motore" uomo?
• Elenca altre sorgenti di energia a te note.
• Quali sono le sorgenti di energia per cuocere i cibi?

Gli ulteriori concetti derivati di energia cinetica, potenziale, lavoro e calore saranno introdotti quando necessario, nelle successive esperienze.

SCOPERTA

Classe IV elementare

1. Come puoi osservare il trasferimento di energia lungo una barra di metallo, usando una sorgente di calore e una candela?
2. Se versiamo in un bicchiere di acqua alcuni cubetti di ghiaccio, come varia la temperatura?
3. Quale materiale tra quelli assegnati permette il miglior trasferimento di calore?
4. Quale tipo di superficie assorbe maggiormente l'energia luminosa?
5. Due recipienti contengono acqua a temperature diverse, se mescoliamo due quantità uguali d'acqua, qual é la temperatura finale?

Classe V elementare - I media

6. Come si può riconoscere una pila carica da una scarica? Per risolvere questo problema non puoi usare la lampadina.
7. A quale distanza massima la bussola interagisce con il magnete? L'interazione dipende dalla direzione?
8. Il gesso, interagendo con l'acqua, sprigiona calore. Qual é la massima temperatura che riesci a raggiungere con i materiali a disposizione?
9. Con le lamine di rame e di alluminio e carta assorbente costruisci una pila capace di far accendere la lampadina.
10. Le celle fotovoltaiche convertono l'energia luminosa in energia elettrica. Realizza un circuito capace di azionare un motore elettrico.

Classe I media

11. Esistono in commercio dei bicchieri di cioccolato autoriscaldanti. Quanto calore si trasferisce all'alimento contenuto in questi bicchieri?
12. Quanto calore occorre per fondere un grammo di ghiaccio?
13. Quanta energia solare colpisce ogni cm2 di suolo al minuto?
14. Quanti watt (joule al secondo) di energia si possono estrarre dalla batteria?

1. Come puoi osservare il trasferimento di energia lungo una barra di metallo, usando una sorgente di calore e una candela?

Il materiale per questa esperienza può essere manipolato solo dall'insegnante, dopo aver discusso le varie ipotesi di soluzione con la classe. Occorre una lamina di metallo, o un filo metallico rigido, di almeno 20 cm, una candela; un sostegno per attaccare la lamina o il filo orizzontalmente, una candelina tagliata a fettine.

Si dispongono sulla lamina dei pezzetti di candela a intervalli regolari (circa 2 cm). Si avvia il cronometro e si riscalda l'estremità della lamina, tenendola a contatto con la lampada. Si annotano i teMIUR - Area Sistemi Informativi successivi, in cui avviene la fusione della cera.

L'esperienza é più efficace se la cera é stata precedentemente sgocciolata su un filo metallico formando palline a distanze regolari, in modo da restare aderenti anche se capovolte. Le palline di cera, in questo caso, cadranno sul tavolo appena fonderanno. Si può costruire una tabella delle distanze e dei teMIUR - Area Sistemi Informativi di fusione, o un grafico in coordinate rettangolari, con il tempo sull'asse orizzontale e la distanza dalla fiamma sull'asse verticale. Domande:

• Da quali parti é formato il sistema?
• Qual è la sorgente di energia?
• Quali sono le forme di energia emessa? Dove si propagano?
• Quale sottosistema utilizza l'energia trasferita?
• Quale parte del sistema trasporta l'energia più rapidamente?
• Che differenza c'é tra la fusione del ghiaccio e quella della cera?

2. Se versiamo in un bicchiere di acqua alcuni cubetti di ghiaccio, come varia la temperatura?

Pe l'esperimento occorrono un bicchiere di plastica, un termometro ad alcool, alcuni cubetti di ghiaccio.

Gli allievi dovranno misurare la temperatura dell'acqua e ghiaccio, ogni minuto, e annotarla sul quaderno. Quando il ghiaccio sarà completamente fuso, si costruisce l'istogramma con i dati delle temperature. Se gli allievi hanno acquisito abbastanza confidenza con le coordinate rettangolari (gioco della battaglia navale) potranno realizzare un grafico in tali coordinate, ponendo sull'asse orizzontale la variabile tempo (1, 2, 3... minuti) e sull'asse verticale le temperature (0, 1, 2, 3...25 °C). I punti saranno collegati da una linea curva più "liscia" possibile. Consigliamo questa seconda soluzione per preparare gli allievi allo studio delle correlazioni tra coppie di variabili.

Questo semplice esperimento ci consente anche di chiarire alcuni errori concettuali assai diffusi.

Primo errore - Il ghiaccio fonde e non si scioglie, come erroneamente si dice nel linguaggio comune. Tutti i solidi, come il ghiaccio, il burro, la neve, il cioccolato, i diversi metalli, se convenientemente riscaldati, fondono. E' sbagliato dire che si sciolgono. Non é elegante, ma é più corretto dire che si squagliano. L'insegnante farà bene a chiedere agli allievi di usare correttamente il termine di fusione, per i solidi che passano allo stato liquido, a causa di un aumento di temperatura. Diversa invece è la situazione dei solidi, come il sale e lo zucchero, che si sciolgono in acqua, cioè in un solvente.

Secondo errore - Gli oggetti e i corpi contengono (posseggono) energia interna ma non calore. Quando due oggetti, a diversa temperatura, si mettono in contatto, il calore è l'energia che si trasferisce dall'oggetto a temperatura più alta all'altro, che ha una temperatura più bassa. Perciò, il calore é soltanto una forma di trasferimento dell'energia termica dall'oggetto più caldo a quello più freddo (che ha una temperatura più bassa). Gli oggetti hanno una temperatura e hanno energia termica, ma non hanno calore.

Terzo errore - Spesso si tende a identificare la temperatura con l'energia termica dell'oggetto. Temperatura ed energia interna non sono la stessa cosa. Se un oggetto ha una temperatura più elevata di un secondo oggetto, non si può affermare con certezza che il primo abbia un'energia superiore. Prendiamo, per eseMIUR - Area Sistemi Informativio, una tazzina di caffè bollente (circa 100°C) e confrontiamo la sua energia interna con quella dell'acqua a 36°C, contenuta in una vasca da bagno. Sicuramente la vasca, che contiene una massa d'acqua molto più elevata della tazzina di caffè, avrà un'energia termica più elevata. È pur vero che l'aumento di temperatura di un determinato oggetto testimonia che l'energia termica é cresciuta.

3. Quale materiale tra quelli assegnati permette il miglior trasferimento di calore?

Il materiale occorrente, per ogni gruppo, è: acqua calda o fredda; un bicchiere di polistirolo espanso, uno di plastica, una lattina d'alluminio. Termometri. Foglio di alluminio. Gli allievi devono aver già effettuato il precedente esperimento per avere un'idea di come si seguono le variazioni di temperatura.

Si distribuisce la stessa quantità di acqua calda (o fredda) nei tre recipienti e si legge la temperatura a intervalli di tre minuti. Riportare il tempo sull'asse orizzontale e la temperatura su quello verticale. Confrontare le tre curve di raffreddamento o di riscaldamento. Gli allievi disegnano schematicamente i bicchieri e delle frecce che rappresentano la direzione del flusso di energia; quindi rispondo a domande del tipo:

• Quali sono i sotto-sistemi che interagiscono?
• In che cosa differiscono i materiali dei tre recipienti?
• Come può essere chiamata questa proprietà? (Conducibilità termica, analogo della c. elettrica)
• Cosa si può fare per accelerare al massimo il trasferimento di calore?

4. Quale tipo di superficie assorbe maggiormente l'energia luminosa?

L'insegnante ha preparato in precedenza due lamine metalliche di rame o alluminio, una normale e una completamente annerita con il fumo di una candela. Poiché sarà necessario utilizzare una fonte di luce, l'esperimento non potrà essere effettuato da ogni gruppo. La fonte di luce può essere una lampadina da almeno 60 W. Le due lamine e il vetro o lo specchio, possono essere messi sul fondo dei bicchieri, che serviranno anche per sostenere il termometro, che si appoggerà col bulbo sulla lamina.

Per questo esperimento é preferibile utilizzare un termometro digitale, il cui display potrà essere seguito da tutta la classe. Conviene lasciare la lampada fissa e spostare i bicchieri sotto di essa, tenendoceli per un tempo fisso e osservando l'aumento di temperatura. La lampada deve essere il più possibile vicina all'orlo del bicchiere, ma esterna ad esso.

Dopo circa un minuto di esposizione alla luce, si riscontrerà una netta differenza di temperatura anche solo appoggiando sulla mano le lamine e il vetro. Il risultato é identico anche se si ricoprono i bicchieri con una lastra di vetro, ma non se si ricopre la lampadina con un foglio di alluminio (v. domande successive); questo dimostra che é la luce e non l'aria calda che trasporta l'energia. Gli allievi registreranno tutte le osservazioni e risponderanno alle seguenti domande:

• Quali sono i sotto-sistemi che interagiscono?
• Come può avvenire l'interazione senza contatto? Qual é il mezzo di trasporto dell'energia?
• Cosa accade se si coprono le lastre con una lastra di vetro?
• Cosa accade se si avvolge la lampada con un foglio di alluminio? C'è aria nello spazio tra Sole e Terra? E se il foglio di alluminio si appoggia sulle due lamine?
• Le lamine ricevono quantità uguali o diverse di energia?
• Perché la lamina scura assorbe più energia?

5. Due recipienti contengono acqua a temperature diverse, se mescoliamo due quantità uguali d'acqua, qual è la temperatura finale?

Dopo aver discusso le ipotesi di lavoro e precisato le variabili da misurare, gli allievi dei vari gruppi preleveranno in due bicchieri di polistirolo quantità uguali di acqua calda e di acqua fredda da due brocche d'acqua preparate dall'insegnante. Ciascun gruppo disporrà inoltre di un termometro, col quale misurerà le temperature iniziali e quella finale, risultante dal mescolamento. Se le quantità di acqua miscelate erano uguali, la temperatura dovrà risultare intermedia a quelle di partenza. Quindi si apre il dibattito con opportune domande dell'insegnante:

• Perché la temperatura dell'acqua calda si é abbassata? C'é stato trasferimento di energia?
• Perché la temperatura dell'acqua fredda si é innalzata? C'é stato trasferimento di energia?

L'insegnante farà vedere dalla cattedra, chiamando un allievo per volta, che mescolando quantitativi diversi di acqua si ottengono temperature diverse da quella intermedia. Per eseMIUR - Area Sistemi Informativio, se la quantità d'acqua calda é maggiore, la temperatura finale sarà vicina a quella dell'acqua calda.

CLASSE V elementare - I media

6. Come si può riconoscere una pila carica da una scarica? Per risolvere questo problema non puoi usare la lampadina.

Quest'esperienza offre l'opportunità di introdurre il concetto di energia potenziale, che verrà utilizzato anche in future esperienze. L'energia potenziale è energia "congelata" o in "deposito", che non provoca effetti per teMIUR - Area Sistemi Informativi indeterminati, finché non si innesca un'interazione di qualche tipo. Le due batterie, apparentemente identiche, differiscono per il contenuto di energia potenziale. Il vassoio di ciascun gruppo dovrà contenere: due pile da 4,5 V, una nuova e una completamente scarica. Filo di rame, bussola, bicchiere con acqua e sale.

Collegando per pochi secondi i due poli della pila carica si avranno diversi effetti: il filo si riscalda, l'ago della bussola posta nelle vicinanze subisce una deviazione. È importante evidenziare la propagazione a distanza dell'interazione. Bagnando le lamine della pila capovolta sull'acqua salata, si osserverà il formarsi di bollicine. Domande:

• dove si trova l'energia prima di passare nel circuito?
• quali sono le evidenze del trasporto di energia elettrica all'interno del filo di rame?
• quali proprietà ha il filo di rame che non è posseduta da un semplice spago?
• in cosa si trasforma l'energia elettrica nel suo fluire? Rimane confinata nel filo?
• quali forme di energia hai ottenuto nelle tue esperienze?

7. A quale distanza massima la bussola interagisce con il magnete? L'interazione dipende dalla direzione?

Ogni gruppo dispone di una bussola, di un magnete cilindrico o a barretta, di una fotocopia del foglio delle coordinate polari.

Gli allievi porranno il magnete al centro delle coordinate. Le linee dell'interazione magnetica risulteranno evidenti se, per ogni punto del grafico, si disegnerà una freccia secondo la direzione di puntamento dell'ago della bussola. É importante che gli allievi si rendano conto che l'interazione avviene a distanza e che osservino che solo il movimento dei due oggetti, l'uno rispetto all'altro, produce il trasferimento di energia e la rotazione dell'ago della bussola. Domande:

• É indispensabile il contatto per avere interazione?
• É sempre la stessa punta dell'ago della bussola che si dirige verso il magnete?
• Se si toglie il magnete, la bussola risente ancora di interazioni?
• C'é un materiale che blocca la propagazione dell'interazione e dell'energia magnetica tra magnete e bussola?

8. Il gesso, interagendo con l'acqua, sprigiona calore. Qual é la massima temperatura che riesci a raggiungere con i materiali a disposizione?

I gruppi disporranno di un vassoio con un bicchiere di polvere di gesso per intonaci, un cucchiaio, un bicchiere d'acqua, un contagocce, un bicchiere di polistirolo da caffè e un termometro.

Gli allievi potranno variare le dosi di gesso e acqua, registrandole accuratamente e misurando ogni volta l'aumento massimo di temperatura. Se sceglieranno di usare il bicchiere di polistirolo otterranno incrementi maggiori di temperatura. Gli allievi devono sapere che l'energia non si può creare, e che quindi prima di sviluppare calore doveva esserci dell'energia potenziale nei componenti - sottosistemi uniti. Pertanto si rivolgono loro le seguenti domande:

• quali sono le parti del sistema che interagiscono?
• da dove scaturisce il calore?
• quale tipo di energia era contenuta nel gesso e nell'acqua?

La miscela diviene dura e si raffredda. Si chiederà quindi:

• Quali evidenze ci sono dell'interazione del gesso in polvere?
• Il sistema contiene ancora la stessa energia potenziale che aveva all'inizio dell'esperimento?
• Dov'é finita l'energia prodotta?
• Il peso del sistema alla fine dell'esperimento sarà minore, maggiore o uguale a quello del gesso e dell'acqua uniti? (Il peso diminuisce di qualche grammo perchè parte dell'acqua evapora).

9. Con le lamine di rame e di alluminio e carta assorbente costruisci una pila capace di far accendere la lampadina.

Anche in questo caso si assisterà alla trasformazione di energia potenziale in altre forme "attive" di energia. Ovviamente dovrà essere l'insegnante a illustrare la corretta disposizione delle lamine (figura) dopo averla provata personalmente. Ogni gruppo dispone di una dozzina di laminette piatte di rame (va bene anche quello delle grondaie) e altrettante di foglio d'alluminio per alimenti, di dimensioni uguali (per eseMIUR - Area Sistemi Informativio 2x3 cm). Carta assorbente da cucina ripiegata; bicchiere con aceto e sale. Vassoio di plastica o legno. Lampadina LED. L'insegnante ha a disposizione una batteria da 9V scarica con l'involucro aperto. La successione rame/alluminio/carta inumidita può essere stratificata più facilmente in orizzontale, così che gli strati siano ben separati. Dopo 4 - 5 elementi ripetuti si superano già i 2 volt, sufficienti per far accendere il diodo LED (le correnti in gioco sono troppo piccole per far illuminare una lampadina a incandescenza). É importante che i tamponi imbevuti di acqua salata e aceto non si tocchino l'uno con l'altro e che non lascino fuoriuscire liquido in eccesso. Il polo positivo del diodo LED, riconoscibile per il piedino più lungo, deve essere collegato al polo di rame.

Domande:

• Da quali sottosistemi é formato il generatore di energia elettrica?
• Quali sono le trasformazioni osservate dopo un funzionamento prolungato?
• Come varia la luce della lampadina se si utilizza un minor numero di elementi?
• Se si chiude il circuito della pila mettendo a contatto la prima e l'ultima lamina, si accenderà la lampadina?
• L'elettricità passerà ugualmente o no?
• Come si può accertare se la corrente passa o meno?
• In quale forma si trova l'energia prima di chiudere il circuito con la lampadina?
• Osserva una batteria da 9 V smontata. Ci sono analogie con la struttura della tua pila?

10. Le celle fotovoltaiche convertono l'energia luminosa in energia elettrica. Realizza un circuito capace di azionare un motore elettrico.

Ad ogni gruppo assegnare: cella fotovoltaica; motorino elettrico; filo elettrico e nastro adesivo, piccoli oggetti da sollevare (viti, dadi), dischi a settori colorati stampati su cartoncino, da ritagliare. Portare in classe una lavagna luminosa o una lampada da 60 W, nel caso dovesse scarseggiare la luce solare.

In questa attività si ha una tripla trasformazione dell'energia: da luminosa a potenziale (quando il circuito della cella fotovoltaica è aperto), da potenziale a elettrica e da elettrica a cinetica. Vanno evidenziate anche altre forme: sonora (il rumore prodotto dal motore) e termica (il motorino si riscalda). Praticamente si ha una vera e propria catena energetica. L'energia luminosa non si affievolisce con la distanza dalla sorgente: l'energia totale é la stessa a qualunque distanza ci si ponga, ma essa si distribuisce su una superficie sempre più aMIUR - Area Sistemi Informativia, quindi sempre minore è la frazione catturata dalla cella fotovoltaica. Questo fatto può essere illustrato facilmente con il disegno a fianco, che mostra come un minor numero di "raggi" colpisca una superficie uguale, ma posta a maggior distanza dalla sorgente. Ci sono numerose domande che possono scaturire da questa eccitante esperienza. Per eseMIUR - Area Sistemi Informativio:

• Come si fa a variare la velocità di rotazione del motore?
• Qual è la distanza massima dalla lampada alla quale il motore riesce a girare?
• Come si può fare per far aumentare questa distanza?
• Perchè diminuisce la velocità del motorino allontanando la sorgente di luce?
• Quali organismi viventi riescono a trasformare l'energia luminosa in energia potenziale?
• Tutta l'energia luminosa si trasforma in energia cinetica?
• Puoi usare il motore per sollevare piccoli oggetti?
• Schematizza la catena energetica in ogni caso.

"Catena energetica" per l'esperimento, considerando la lampadina come sorgente.

Girandole da stampare su cartoncino, ritagliare e applicare sull'asse del motore per evidenziare la rotazione.

Classe I Media

Le esperienze che seguono hanno carattere quantitativo e quindi sono più idonee per questo livello scolare. Esse prevedono l'introduzione delle unità di misura dell'energia più usate: il joule (J) e la caloria (cal). Per acquisire confidenza con tali unità si possono utilizzare le etichette degli ingredienti dei prodotti alimentari, che spesso riportano il contenuto energetico dei cibi in entrambe le unità. Avendo a disposizione diverse di queste etichette si potrà calcolare il rapporto joule/calorie, che risulterà pari a circa 4,2. Ée; importante che gli allievi imparino bene il significato di caloria (anche se quest'unità di misura risulta abolita in tutta Europa dal 1° gennaio 2000, con DPR 802/1982): la caloria é l'energia occorrente per riscaldare un grammo d'acqua di un grado centigrado.

Negli esperimenti seguenti, in cui avverrà l'emissione o l'assorbimento di calore, basterà conoscere la quantità di acqua (in grammi o in millilitri) posta in un bicchiere isolato di polistirolo espanso e la variazione di temperatura da essa subita, per calcolare l'energia transitata in calorie. Le calorie complessive saranno ottenibili dalla moltiplicazione "tutti i grammi di acqua x tutti i gradi di aumento di temperatura di ciascun grammo". Forniamo l'espressione per il calcolo in questa forma verbale con l'intento deliberato di evitare che gli allievi inizino a memorizzare formule, senza capirne il significato, fin dalle medie. Se si vuole evitare l'uso della caloria, si può fornire il seguente dato:

• per aumentare di un grado la temperatura di un grammo d'acqua occorrono 4,2 joule di energia.

Un'altra unità di misura correlata con l'energia, e utilizzata nella vita di tutti i giorni è il watt (W). Esso misura la velocità di utilizzo dell'energia (potenza), in joule al secondo. Una lampadina a incandescenza da 40 W assorbe un'energia di 40 joule per ogni secondo di funzionamento. Una macchina molto potente trasforma molta energia ogni secondo (si parla di kilowatt, cioè migliaia di joule al secondo). Il corpo umano in normale attività consuma circa dieci milioni di joule al giorno (tanto è l'apporto energetico di 2500 kcal). Dato che in un giorno ci sono 86400 secondi, il consumo medio è di circa 120 joule al secondo, cioè 120 watt. L'energia ha un costo. Nella bolletta ENEL, a seconda delle fasce di consumo, si pagano tra 0,4 e 0,6 lire ogni 1000 joule (circa 200 lire al kilowattora). Il costo della benzina è di circa 0,08 lire al kilojoule, quindi inferiore, ma occorre considerare che se si vuole convertire l'energia della combustione in energia elettrica, con un "generatore", i rendimenti sono molto bassi, dell'ordine del 20 %, senza considerare il rumore e l'inquinamento prodotti in prossimità dell'utilizzatore. Queste considerazioni e la regolarità dell'erogazione elettrica ci dissuadono dall'utilizzo della benzina in casi normali.

11. Esistono in commercio dei bicchieri di cioccolato autoriscaldanti. Quanto calore si trasferisce all'alimento contenuto in questi bicchieri?

Gli allievi dispongono di un bicchiere "Ciobar", di un termometro ad alcol e di un cilindro graduato da 50 mL (facoltativo, dato che il volume di prodotto è indicato nell'etichetta).

Non conviene svelare il meccanismo di funzionamento del bicchiere se non é stata ancora svolta l'esperienza in cui lo si utilizza per costruirne il modello di funzionamento. Le ipotesi sono comunque ben accette. Per informazione dell'insegnante, tale bicchiere contiene alla base un serbatoio 40 mL di acqua distillata, separati da un'intercapedine di alluminio dall'involucro esterno con scaglie e polvere di cloruro di calcio perfettamente anidro. Premendo sul fondo si rompe la membrana e la soluzione acqua CaCl2 raggiunge i 110 °C. Date le perdite e la distribuzione interna dell'energia, il prodotto da consumare, che non viene a contatto con la soluzione calda, raggiunge circa 50 °C.

Un secondo motivo per non effettuare l'esperimento con i componenti separati è quindi che il termometro ad alcol non può misurare temperature superiori a 60 °C. Il terzo motivo é che, lasciando intatto l'involucro, i ragazzi potranno degustare il prodotto dopo l'esperimento!

Per questa esperienza occorre pianificare bene l'esperimento, stabilire cosa misurare e quando farlo. L'insegnate potrà usare un barattolo extra per far vedere agli allievi come funziona.

Una soluzione possibile é la seguente: misurare la temperatura esterna, supposta uguale a quella del prodotto. Attivare il meccanismo di riscaldamento, girare una decina di volte, aprire la pellicola e misurare la massima temperatura raggiunta all'interno della massa di cioccolato. Quindi misurare il volume del prodotto. Per il calcolo del calore non si coMIUR - Area Sistemi Informativie un grande errore considerando il liquido come se fosse acqua: 4,2 joule per grammo o mL e per grado centigrado. Il calore si calcola moltiplicando l'incremento di temperatura in gradi per il volume del prodotto in millilitri e per 4,2 se si vogliono i joule. Si può anche sostituire il cioccolato con acqua e ripetere l'esperimento in un nuovo bicchiere per confermare.

Il problema n. 8 di quest'unità può essere trasformato in termini quantitativi.

12. Quanto calore occorre per fondere un grammo di ghiaccio?

L'insegnante predispone una bilancia da cucina con precisione al grammo, una scatola di cubetti di ghiaccio. Ogni gruppo di allievi dispone di un vassoio con: bicchiere di polistirolo espanso con tappo, termometro ad alcool, cilindro graduato. La soluzione più semplice consiste nel misurare l'abbassamento di temperatura, prodotto dalla fusione del ghiaccio in un bicchiere (calorimetro) isolato con un certo volume d'acqua. Gli allievi devono progettare l'esperimento in modo da accelerare la fusione del ghiaccio, per minimizzare le perdite di calore, e riuscire a leggere la temperatura minima raggiunta. Se i cubetti di ghiaccio pesano più di 5-6 grammi conviene usare 100 mL di acqua. Altrimenti 50 mL sono sufficienti. Moltiplicando i grammi d'acqua (comprensivi del ghiaccio) per la variazione di temperatura, si ottengono le calorie richieste per la fusione. Dividendo tale dato per il peso del ghiaccio fuso si ricava il valore specifico per ogni grammo di ghiaccio. Ogni grammo di ghiaccio assorbe 333 joule di energia per la fusione.

13. Quanta energia solare colpisce ogni cm2 di suolo al minuto?

Prima di discutere le ipotesi di lavoro, ricordare il problema n° 4, in cui il metallo annerito era quello maggiormente capace di assorbire l'energia radiante. Il problema può essere reso analogo ai precedenti, ponendo una lamina circolare di rame od ottone, annerita, sul fondo del bicchiere di polistirolo con un volume noto di acqua (5-10 mL). La luce solare può essere diretta perpendicolarmente, verso il fondo del bicchiere, con uno specchio. Si misura la temperatura iniziale e poi ogni 5 minuti dall'inizio del riscaldamento. Una volta determinate le calorie o i joule assorbiti dall'acqua ogni minuto, come nei problemi precedenti, si deve dividere per l'area in cm2 del disco nero, per avere l'energia al minuto e al centimetro quadrato. La radiazione solare incidente al suolo, alle nostre latitudini, nelle ore diurne va da un minimo di 0,035 W/cm2 nel mese di dicembre-gennaio, a un massimo di 0,14 W/cm2 in giugno - luglio. Con un rapido calcolo si trova che questa energia, sul fondo di un bicchiere da 4 cm di diametro, equivale a 6 - 25 calorie al minuto, capaci di riscaldare 10 ml d'acqua da un minimo di 0,6 °C/min a un massimo di 2,5 °C/min. I valori trovati con l'apparato sperimentale qui descritto rientrano, in effetti, in quest'intervallo (es. da 20 a 25 °C in 5 minuti, in aprile, con lo specchio).

I pannelli solari per la produzione d'acqua calda sfruttano lo stesso fenomeno evidenziato dall'esperimento.

14. Quanti watt (joule al secondo) di energia puoi trasferire dalla batteria all'acqua?

Ogni gruppo di lavoro ha a disposizione un filo al nichel cromo di 0,5 mm di sezione e 50 cm di lunghezza. Due fili di rame, una pila piatta da 4,5 V carica, un bicchiere di polistirolo espanso e un termometro. Arrotolando il filo al Ni-Cr a spirale con una matita, si costruisce una resistenza elettrica che, collegata con i capi liberi ai fili e ai due poli della batteria, si riscalderà, e potrà essere immersa a mo' di scaldabagno in circa 20 mL di acqua. Analogamente alle esperienze precedenti, gli allievi devono preparare il dispositivo, praticare due buchi per far passare i fili dal tappo e un buco per il termometro, leggere la temperatura iniziale, avviare il cronometro nel momento stesso in cui si collegano i due fili alla pila, e leggere la temperatura a intervalli di un minuto, per circa cinque minuti, agitando di tanto in tanto. Se l'incremento di temperatura non si mantiene approssimativamente costante per almeno cinque minuti, usare un filo al Ni-Cr da un metro. Gli aumenti di temperatura vanno da 1 °C a 3°C al minuto in 20 mL di acqua, a seconda del tipo di batteria e del suo stato di carica. Per il calcolo, come al solito, si moltiplicano i mL d'acqua per l'aumento di temperatura, ricavandone le calorie. Moltiplicando per 4,2 si hanno i joule che, divisi per i secondi trascorsi, danno la potenza della pila in watt, cioè i joule al secondo. La potenza erogata da una batteria da 4,5 V, per teMIUR - Area Sistemi Informativi superiori al minuto, é di 1,5 - 3 watt.