Il raffreddamento

Nella precedente esperienza hai studiato il passaggio di calore da un corpo caldo a un corpo freddo entrambi isolati dall’ambiente circostante. Il calore ceduto dall’uno veniva interamente acquistato dall’altro.

Come pensi che si evolva il fenomeno se il corpo freddo è in realtà l’ambiente circostante?
Questo processo nel linguaggio quotidiano viene definito raffreddamento.

In questa scheda vogliamo capire quali grandezze fisiche influenzano la velocità di raffreddamento, cioè il rapporto DQ/Dt tra la quantità di calore perduto e l’intervallo di tempo nel quale il processo avviene. Studieremo pertanto come varia il raffreddamento di un corpo in funzione:

  • della sua capacità termica C;
  • della sua superficie S;
  • della differenza di temperatura con l’ambiente (T0 - Ta);
  • di come viene impedita o sollecitata l’interazione con l’aria circostante.

[materiale occorrente] [predisposizione e acquisizione] [domande]

Materiale occorrente

kit per lo studio del raffreddamento
piastra riscaldante
2 sensori di temperatura
calcolatrice grafica TI-89
interfaccia CBL2

 

Predisposizione e acquisizione

1

Dopo aver acceso alla massima potenza il riscaldatore elettrico, disponi sulla sua piastra il cilindro di ferro e uno dei due cilindri di alluminio. Infila poi un sensore di temperatura nel foro centrale di ciascun cilindro.
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Avvia il programma PHYSICS e quando compare il menu principale, seleziona PREDISP. SONDE.

 

 

  • Apparirà la schermata di figura.
  • Qui premi il tasto 2: DUE in quanto dovrai utilizzare due sensori di temperatura;
  • quindi seleziona per due volte consecutive 6: TEMPERATURA,

collegando la prima volta il sensore a contatto con il cilindro di ferro con la porta CH 1 dell’interfaccia e la seconda volta il sensore a contatto con il cilindro di alluminio con la porta CH 2 dell’interfaccia.
Essendo predefinita la calibrazione di entrambi i sensori, nel menu principale riapparso sullo schermo seleziona MONITORAGGIO in modo da poter controllare la temperatura di entrambi e cilindri.

 
3

Quando la temperatura dei due cilindri è circa 75 °C, utilizzando la bacchetta dotata di gancetto, disponi i due cilindri sulla lastra di PVC sempre tenendo inseriti i due sensori.

.

Potrai così notare che la temperatura continuerà a salire per breve tempo, ma poi inizierà a discendere. Con un cartoncino agita l’aria attorno al cilindro più caldo, in modo che le loro temperature si eguaglino. Quando la temperatura di entrambi i cilindri sarà di nuovo di 75 °C, procedi rapidamente come descritto nella seguente operazione.
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Esci dal monitoraggio premendo il tasto (+), quindi in rapida sequenza

  • seleziona GRAFICO vs TEMPO
  • digita 1 come intervallo tra campionamenti
  • digita 500 come numero di campionamenti

Alla domanda QUANDO TRACCIO? rispondi premendo il tasto 2: DURANTE ACQUISIZIONE e disponi per le seguenti opzioni: ymin = 55 °C ; ymax = 75 °C e yscl = 1.

Premi ENTER per dare inizio all’acquisizione dei dati.

linea sottile: cilindro di ferro
linea spessa: cilindro di alluminio

 

 
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Ripeti la prova sostituendo il cilindro di ferro con il radiatore di alluminio, che ha la stessa massa del cilindro di alluminio, ma una superficie molto maggiore. Collega il sensore del cilindro alla porta CH 1 e l’altro alla porta CH 2.

Inizia la prova partendo da 75°C e disponi perché sia Ymin = 35 °C e Ymax = 78 °C. In figura sono riportati i grafici relativi ai due corpi.

linea sottile: cilindro di alluminio
linea spessa: radiatore di alluminio

6

Ripeti la prova con entrambi i cilindri di alluminio, avendo cura di infilare uno di essi nella guaina termoisolante al momento di appoggiarlo sulla lastra di PVC. Collega il sensore del cilindro contenuto nella guaina alla porta CH 1 e l’altro alla porta CH 2.

Disponi che sia Ymin = 35 °C e Ymax = 78 °C. In figura 8 sono riportati i relativi grafici.

linea sottile: cilindro nella guaina
linea spessa: cilindro all’aria aperta

 

 
7

Ripeti l’esperimento utilizzando di nuovo i due cilindri i alluminio; questa volta però dovrai ventilare continuamente quello il cui sensore è collegato alla porta CH 2, con un pezzo di cartone o con un phon che soffi aria non riscaldata. In figura sono evidenti le diverse velocità di raffreddamento.

linea sottile: cilindro non ventilato
linea spessa: cilindro ventilato

 

 

8

Prendi nota della temperatura ambiente. Calcola l’escursione termica T0 – Ta tra l’ambiente e la temperatura iniziale dei corpi durante gli esperimenti Ripeti l’esperimento con i due cilindri di alluminio, facendo però in modo che l’escursione termica del secondo sia la metà di quella del primo. Ad esempio se la temperatura ambiente è di 20°C, il primo cilindro dovrà partire da 75 °C e il secondo cilindro dovrà partire da 47,5°C.

linea sottile: cilindro con T0 = 47,5°C
linea spessa: cilindro con T0 = 75°C

Domande

  1. Quale dei due materiali si raffredda più velocemente?
  2. Con una bilancia misura la massa dei due cilindri e poi calcola la loro capacità termica, sapendo che i calori specifici del ferro e dell’alluminio sono rispettivamente 452 e 896 J / (kg °C)
  3. Con quale fenomeno idraulico ha analogia il fenomeno termico appena studiato?
  4. Confrontando le curve in figura, qual è il ruolo dell’aria nel processo di raffreddamento?
  5. I migliori materiali termoisolanti sono: il polistirolo, la lana di vetro, il sughero, le guaine spugnose. Cosa hanno in comune tutti questi materiali?
  6. Come incide sulla velocità di raffreddamento il fatto che l’aria attorno al corpo sia ferma
  7. Perché la Natura ha provvisto gli animali che vivono nei climi freddi di pelliccia e di piume? Quale pensi sia la funzione termoregolatrice di questi rivestimenti?
  8. Perché quando c’è vento si soffre meno il caldo?
  9. Come varia la velocità di raffreddamento se varia la differenza di temperatura con l’ambiente?
  10. Pensi che le caratteristiche del processo di raffreddamento possano essere applicate anche al riscaldamento di un corpo?
  11. Tutto quello che hai appreso in questa scheda attraverso le esperienze, si può esprimere sinteticamente con una equazione, chiamata legge di Newton del raffreddamento.
  12. La quale esprime che: la velocità di raffreddamento di un corpo è proporzionale alla sua superficie e alla differenza di temperatura.tra il corpo e l’ambiente. Da che cosa dipende il coefficiente di proporzionalità h ?
  13. Qual è il significato del segno negativo?