Concetti chiave
Fisica
Trasferimento di calore
Isolamento
Scienza dei materiali

Introduzione
Cosa fai quando fa molto freddo in inverno? Probabilmente accendi il riscaldatore, metti un ulteriore strato di vestiti o coccola sotto una coperta calda. Ma hai mai pensato al motivo per cui una giacca ti aiuta a stare al caldo? Perché i nostri vestiti sono fatti di tessuti e non di fogli? Scopri le risposte in questa attività; i risultati potrebbero anche aiutare a trovare il modo migliore per stare al caldo al freddo!,

Sfondo
Il calore è una forma di energia. Hai bisogno di energia per riscaldare qualcosa: ad esempio, una tazza di tè. Per preparare il tuo tè probabilmente usi energia da elettricità o gas. Tuttavia, una volta che il tè è caldo, non rimarrà caldo per sempre. Basta lasciare la tazza di tè sul tavolo per un po’, e sai già che diventerà più fresco più a lungo aspetti. Ciò è dovuto a un fenomeno chiamato trasferimento di calore, che è il flusso di energia sotto forma di calore. Se due oggetti hanno temperature diverse, il calore scorre automaticamente da un oggetto all’altro una volta che sono in contatto., L’energia termica viene trasferita dall’oggetto più caldo a quello più freddo. Nel caso del tè, il calore del liquido viene trasferito all’aria circostante, che di solito è più fredda del tè. Una volta che entrambi gli oggetti raggiungono la stessa temperatura, il trasferimento di calore si fermerà. Il trasferimento di calore attraverso il movimento di fluidi (liquidi o gas) è chiamato convezione.

Un altro tipo di trasferimento di calore è la conduzione, in cui l’energia si muove attraverso una sostanza (di solito un solido) da una particella all’altra (a differenza della convezione dove è la materia riscaldata stessa che si muove)., Un manico di pentola che si scalda sarebbe un esempio di conduzione.

Il calore può anche essere trasferito attraverso la radiazione. Si potrebbe avere sperimentato che da seduti intorno a un falò. Anche se non stai toccando il fuoco, puoi sentirlo irradiare calore in faccia anche se fuori fa freddo. Se vi piace bere il tè caldo, si potrebbe chiedere come trasferimento di calore può essere ridotto, e come il tè mantiene dal raffreddamento? La risposta è l’isolamento termico., Isolamento significa creare una barriera tra l’oggetto caldo e l’oggetto freddo che riduce il trasferimento di calore riflettendo la radiazione termica o diminuendo la conduzione termica e la convezione da un oggetto all’altro. A seconda del materiale della barriera, l’isolamento sarà più o meno efficace. Le barriere che conducono il calore molto male sono buoni isolanti termici, mentre i materiali che conducono il calore molto bene hanno una bassa capacità isolante. In questa attività, testerai quali materiali producono isolanti termici buoni o cattivi con l’aiuto di un bicchiere di acqua calda., Quale materiale pensi che sarà più efficace?

Materiali

• Cinque vasetti di vetro con coperchi
• Forbici (e adulti per aiutare con il taglio)
• Nastro
• Alluminio
• Bubble wrap
• sciarpa in Lana o altri capi in lana
• Carta
• il rubinetto dell’acqua Calda
• Termometro
• Frigorifero
• Timer
• Carta per scrivere
• Penna o matita

Preparazione

• Tagliare un pezzo di foglio di alluminio, il pluriball e la carta (chiedi ad un adulto di aiuto, se necessario)., Ogni pezzo dovrebbe essere abbastanza grande da adattarsi tre volte ai lati del barattolo di vetro.
• Prendi il pezzo di foglio di alluminio e avvolgilo attorno ai lati di uno dei vasi. Dovresti avere tre strati di pellicola attorno al barattolo di vetro. Utilizzare il nastro per attaccare la pellicola al barattolo.
• Quindi, avvolgere un altro barattolo con l’involucro a bolle in modo che anche il vetro sia coperto in tre strati. Assicurarsi di nastro il pluriball sul vaso.
• Utilizzare la carta tagliata per avvolgere un terzo barattolo in tre strati di carta. Ancora una volta, attaccare la carta al barattolo di vetro.,
• Prendi un altro barattolo di vetro e avvolgi la sciarpa o altro tessuto di lana attorno al barattolo. Fai solo tre strati di avvolgimento e assicurati che la sciarpa rimanga attaccata al barattolo.
• Lasciare l’ultimo barattolo senza alcun avvolgimento. Questo sarà il vostro controllo.

Procedura

• Riempire ogni vaso con la stessa quantità di acqua calda dal rubinetto.
• Utilizzare il termometro per misurare la temperatura in ogni vaso. Metti il dito nell’acqua di ogni barattolo (fai attenzione se l’acqua del rubinetto è molto calda) – come si sente la temperatura dell’acqua?,
• Annotare la temperatura per ogni vaso e chiudere i coperchi. Le temperature sono tutte uguali o ci sono differenze? Quanto sono grandi le differenze?
• Apri il tuo frigorifero e metti tutti e cinque i barattoli all’interno. Assicurarsi che siano ancora avvolti in modo sicuro. Senti la temperatura del frigorifero-come si sente la sua temperatura?
• Mettere il termometro in frigo. Che temperatura legge il termometro quando lo metti in frigo?
• Una volta che tutti i barattoli sono in frigo, chiudere la porta del frigorifero e impostare il timer a 10 minuti., Cosa pensi che succederà con i barattoli e l’acqua calda durante quel periodo?
• Dopo 10 minuti aprire il frigorifero e portare tutti i barattoli all’esterno. I barattoli si sentono diversi?
• Aprire ogni vaso, uno alla volta, e misurare la temperatura dell’acqua con il termometro. Inoltre, senti la temperatura con il dito. La temperatura è cambiata? Come è cambiato secondo il termometro?
• Ripetere la misurazione della temperatura per ogni barattolo e annotare la temperatura per ogni materiale da imballaggio. La temperatura in ogni barattolo è cambiata allo stesso modo?, Quale materiale da imballaggio ha provocato il cambiamento di temperatura più basso e quale ha provocato il più grande?
• Per un migliore confronto, calcolare la differenza di temperatura dall’inizio e dalla fine del test per ogni vaso (temperatura di inizio contro temperatura dopo 10 minuti in frigorifero). Dai tuoi risultati, puoi dire quale materiale è l’isolante termico migliore o più debole?
• Extra: Le temperature continueranno a cambiare in modo simile per ogni materiale? Puoi chiudere di nuovo ogni barattolo e rimetterli in frigo per altri 10 minuti., I risultati sono diversi questa volta o lo stesso?
• Extra: La temperatura dell’acqua cambia in frigorifero come nel congelatore o a temperatura ambiente? Ripetere il test, ma questa volta invece di mettere i barattoli di vetro nel frigorifero, metterli nel congelatore o tenerli a temperatura ambiente. Quanto cambia la temperatura dell’acqua entro 10 minuti? I diversi materiali di confezionamento si comportano in modo diverso?
• Extra: Prova a trovare altri materiali che ritieni siano isolanti termici buoni o cattivi e testali. Quale materiale funziona meglio?, Riesci a pensare a un motivo per cui?
• Extra: Se togli i barattoli dal frigorifero dopo 10 minuti, probabilmente misurerai ancora una differenza di temperatura tra l’acqua all’interno del barattolo e la temperatura all’interno del frigorifero. È possibile mantenere i barattoli di vetro più a lungo nel frigorifero e misurare la loro temperatura ogni 15-30 minuti. Quanto tempo ci vuole prima che la temperatura dell’acqua non cambi più? Qual è la temperatura finale dell’acqua all’interno del vetro?
• Extra: Oltre a scegliere il materiale isolante giusto, quali sono altri modi per migliorare l’isolamento termico?, Ripetere questa prova con un solo materiale di avvolgimento. Questa volta cambia lo spessore del tuo strato isolante. Trovi una correlazione tra lo spessore dello strato isolante e il cambiamento di temperatura nel frigorifero?

Osservazioni e risultati
L’acqua calda si è raffreddata in modo significativo durante i 10 minuti all’interno del frigorifero? Anche se la temperatura del frigorifero è molto bassa, l’acqua calda ha una temperatura elevata., Poiché l’energia termica scorre dall’oggetto caldo all’oggetto freddo, l’energia termica dell’acqua calda verrà trasferita all’aria fredda circostante all’interno del frigorifero una volta inseriti i barattoli di vetro. Il meccanismo più significativo di trasferimento di calore in questo caso è la convezione, il che significa che l’aria proprio accanto al vaso caldo viene riscaldata dall’acqua calda. Quindi, l’aria calda viene sostituita con aria fredda, che viene anche riscaldata. Allo stesso tempo, l’aria fredda raffredda l’acqua all’interno del barattolo. Il calore dell’acqua calda viene trasportato via dal flusso di aria fredda intorno alla tazza., Se hai lasciato i barattoli in frigo abbastanza a lungo, potresti aver osservato che la temperatura cambia fino a quando l’acqua calda raggiunge la temperatura all’interno del frigorifero. Senza una differenza di temperatura tra l’acqua e il frigorifero, il trasferimento di calore si fermerà.

Il calore dell’acqua viene perso anche attraverso la conduzione: il trasferimento di calore attraverso il materiale, che dipende dalla conduttività termica del materiale stesso. Il barattolo di vetro può condurre il calore relativamente bene. Si nota che quando si tocca il vaso di vetro con l’acqua calda il vetro si sente caldo pure., Che effetto hanno avuto i diversi materiali di confezionamento? Avresti dovuto notare che con i materiali di confezionamento, la temperatura dell’acqua dopo 10 minuti all’interno del frigorifero era più alta rispetto al controllo non avvolto. Perché? Avvolgere il barattolo di vetro riduce il trasferimento di calore dall’acqua calda all’aria fredda all’interno del frigorifero. L’utilizzo di materiali di avvolgimento che hanno una conducibilità termica molto bassa riduce la perdita di calore attraverso la conduzione. Allo stesso tempo l’isolante può anche interrompere o ridurre il flusso di aria fredda intorno al barattolo di vetro, che si traduce in una minore perdita di calore per convezione.,

Un modo per ridurre la convezione è creare sacche d’aria attorno al barattolo, ad esempio utilizzando isolanti come pluriball, tessuto o lana, che hanno molte sacche d’aria. L’aria in generale è un buon isolante termico, ma può trasmettere calore attraverso la convezione. Tuttavia, se le sacche d’aria all’interno del materiale isolante sono separate l’una dall’altra, il flusso di calore da una sacca d’aria all’altra non può avvenire facilmente. Questo è il motivo per cui dovresti aver misurato la temperatura più alta nel barattolo avvolto in bolle e nel barattolo avvolto in tessuto., Questo spiega anche perché la maggior parte dei nostri vestiti sono fatti di tessuti e perché rimani più caldo quando indossi una giacca extra. Carta e lamina rendono più facile per il calore di fuggire perché non hanno molte sacche d’aria.

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Questa attività ti ha portato in collaborazione con Science Buddies