Informazioni su questo esperimento
Metti del ghiaccio tolto dal congelatore su una piastra riscaldante e leggi la temperatura su un termometro ogni minuto. La temperatura aumenta, poi si ferma a 0 °C mentre il ghiaccio fonde; quindi aumenta di nuovo e si ferma una seconda volta quando l’acqua bolle. Questo laboratorio traccia la curva di riscaldamento man mano che si forma e mostra le particelle al suo interno. Modifica la massa, la potenza del riscaldatore e la temperatura iniziale, oppure porta l’esperimento in montagna, dove l’acqua bolle sotto i 100 °C.
Obiettivi di apprendimento
- Descrivi la forma di una curva di riscaldamento e indica lo stato dell’acqua in ciascun tratto.
- Spiega perché la temperatura rimane costante mentre una sostanza fonde o bolle
- Usa Q = mcΔT e Q = mL per calcolare l’energia necessaria per ogni fase
- Confronta l’energia necessaria per fondere il ghiaccio con quella necessaria per far bollire l’acqua
- Metti in relazione il punto di ebollizione con la pressione dell’aria
Come si usa
- 1Premi «Riscalda» e osserva il termometro. Fermati su ogni tratto orizzontale del grafico e descrivi cosa c’è nel contenitore.
- 2Usa la visualizzazione delle particelle per descrivere come cambiano la loro disposizione e il loro movimento in ogni stato.
- 3Confronta la lunghezza dei due tratti orizzontali. Quale passaggio di stato richiede più energia? Verificalo con i valori mostrati.
- 4Raddoppia la massa del ghiaccio. Quali parti della curva si allungano? Poi raddoppia invece la potenza del riscaldatore.
- 5Confronta le pendenze dei tratti relativi a ghiaccio, acqua e vapore. Quale sostanza ha il calore specifico maggiore?
- 6Imposta l’altitudine sulla cima del monte Everest (8849 m). Trova il nuovo punto di ebollizione e spiega perché la pasta cuoce lentamente lì.
Il modello
Ipotesi
- Non si perde calore nell’ambiente e tutta la potenza del riscaldatore viene trasferita all’acqua.
- Il contenitore è sigillato da un pistone, quindi il vapore rimane all’interno a pressione costante e può essere riscaldato ulteriormente. In un becher aperto il vapore fuoriesce e l’ultimo tratto della curva non è visibile.
- L’acqua viene mescolata, così l’intero campione si trova alla stessa temperatura. I calori specifici e i calori latenti sono considerati costanti.
- La pressione dell’aria diminuisce con l’altitudine, con un’altezza di scala di 8,4 km. Il punto di fusione dipende pochissimo dalla pressione e viene mantenuto a 0 °C.
- La rappresentazione delle particelle mostra la loro disposizione e velocità relativa; non è una simulazione molecolare.
Provalo in classe
- Q1Quanta energia serve per fondere 0,2 kg di ghiaccio a 0 °C?
- Q2Un bollitore da 1500 W contiene 1,2 kg d’acqua a 20 °C. Quanto tempo occorre per raggiungere i 100 °C se non si disperde calore?
- Q3Perché un’ustione causata dal vapore a 100 °C fa più male di un’ustione causata dall’acqua bollente a 100 °C?
- Q4Perché la linea dell’acqua liquida è meno ripida di quella del ghiaccio, anche se si usa lo stesso riscaldatore?
- Q5In un esperimento reale, il tratto della curva corrispondente alla fusione è spesso inclinato invece che orizzontale. Suggerisci due motivi.
Domande frequenti
Dove va l’energia se la temperatura non cambia?
Aumenta l’energia potenziale delle particelle. La fusione e l’ebollizione allontanano le particelle vincendo l’attrazione reciproca, perciò l’energia viene immagazzinata invece di farle muovere più velocemente. Questa energia immagazzinata viene nuovamente rilasciata quando il vapore condensa o l’acqua congela.
Perché l’ebollizione dura molto più a lungo della fusione?
La fusione allenta soltanto la struttura cristallina: le particelle dell’acqua liquida restano a contatto. L’ebollizione le separa completamente e richiede quasi sette volte più energia per chilogrammo (2260 kJ contro 334 kJ).
Posso fare questo esperimento in classe?
Sì, con del ghiaccio tritato in un becher, una bacchetta per mescolare e un termometro, sopra un becco Bunsen o su una piastra riscaldante. Registra la temperatura ogni 30 secondi finché l’acqua non sarà rimasta in ebollizione per alcuni minuti. È probabile che i plateau siano meno netti rispetto a qui, perché il becher disperde calore e la miscela non è omogenea.