Esperimenti sulla combustione, il trasferimento di calore e gli stati della materia

Francesco è da sempre molto attratto dalle attività con il fuoco, già in passato lo avevo assecondato in questa sua passione: http://lacasadiserendippo.altervista.org/esperimenti-fuoco-carta/

Ancora una volta ho cercato di valorizzare la sua spontanea curiosità, questa volta realizzando degli esperimenti e cercando di individuare insieme le leggi fisiche e scientifiche che soggiaciono ad alcuni comportamenti della materia in relazione al fuoco.

Abbiamo approntato un set di sperimentazione che fosse il più possibile sicuro, con spazio libero e privo di materiale infiammabile, un secchio pieno di acqua, candele, accendino e vari materiali per condurre esperimenti.

La combustione

Il primo elemento che Francesco ha voluto testare è stato la carta:

Ha potuto notare come un foglio di carta brucia molto facilmente, perché è un ottimo combustibile, ma se arrotolato stretto, la sua combustione rallenta perché fatica un poco di più a trovare l’ossigeno.
Buttando sulla fiamma un foglio di carta piegato, la fiamma si è addirittura spenta, nonostante la carta sia davvero un ottimo combustibile facilmente infiammabile.

Questo è successo perché è l’ossigeno che alimenta la fiamma e in questo caso il semplice foglio di carta ha tolto del tutto l’ossigeno.

Quanto sia importante l’ossigeno nella combustione di una candela lo abbiamo nuovamente osservato ponendo un bicchiere capovolto sopra la candela che dopo un poco si è spenta:

A questo proposito abbiamo anche condotto l’esperimento del risucchio nel bicchiere, prendendo spunto da questo video su you tube https://www.youtube.com/watch?v=krJe-UWhjBY Abbiamo messo un po’ d’acqua nel recipiente della candela, appoggiato il bicchiere  su delle monetine e abbiamo osservato come dopo un po’ la candela si è spenta ed inoltre un po’ di acqua sia penetrata nel bicchiere. (purtroppo non ho foto da mostrare perché sono venute sfocate)

La spiegazione scientifica è che la pressione all’interno del bicchiere era inferiore di quella esterna, proprio perchè la fiamma della candela aveva bruciato l’ossigeno.

La trasmissione di calore:

1) Conduzione: l’asta di metallo che si riscalda

Ponendo sulla fiamma un’ asticella metallica, Francesco ha potuto osservare come diventasse calda anche al tocco delle mani pur non prendendo fuoco.

Francesco ha potuto così scoprire la conduzione ovvero la prima modalità di trasferimento di calore. La conduzione è infatti la trasmissione di calore attraverso i solidi.

2) Convezione: il palloncino che non scoppia sul fuoco

In questo esperimento abbiamo prima provato a mettere sopra la fiamma un palloncino gonfiato con aria e basta ed è esploso subito.
Poi abbiamo abbiamo messo un po’ d’ acqua in un altro palloncino e lo abbiamo gonfiato per altri 2/3 con aria.
Abbiamo potuto osservare come il palloncino con dentro l’acqua non esplodesse nel contatto con la fiamma.

La spiegazione scientifica è la convezione, ovvero il trasferimento di calore ad un fluido ( liquido o gassoso).L’acqua all’interno del palloncino assorbe il calore del fuoco, il palloncino essendo molto sottile permette al calore di passare molto rapidamente e quindi di scaldare l’acqua. Scaldandosi l’ acqua inizia a salire, in alto si raffredda e torna a scendere e il processo si ripete impedendo così a lungo al palloncino di scoppiare.

Abbiamo osservato il moto convettivo anche attraverso un altro esperimento.

Abbiamo disegnato e ritagliato un serpente di carta a spirale e collegato un filo sulla sua coda.
Poi Francesco ha preso il serpente in mano tenendolo per il filo e così abbiamo potuto osservare che il serpente non rimaneva fermo ma girava su se stesso

.( Questi due esperimenti li ho trovati sul sito https://www.lapappadolce.net/ )

Abbiamo anche osservato un’immagine dinamica del moto convettivo, ovvero l’aria si scalda, va in alto, li si raffredda e riscende:

Abbiamo parlato di come il moto convettivo sia alla base di alcuni fenomeni atmosferici come il vento e di come trovi applicazione quotidiana nel riscaldamento a termosifoni delle case.

3) Irraggiamento

Abbiamo guardato questo video di Rai scuola sul trasferimento di calore:

http://www.raiscuola.rai.it/articoli/il-trasferimento-di-calore/9646/default.aspx

E abbiamo realizzato che esiste una terza modalità di trasferimento di calore ed è l’ irraggiamento. Ovvero il calore si trasferisce per mezzo di onde elettromagnetiche o infrarosse da un corpo caldo, l’esempio tipico è il sole, ma qualsiasi corpo caldo anche quello umano può irraggiare calore.

Gli stati della materia

Francesco ha provato a fondere un chewing gum sulla candela e ha osservato che si scioglie diventando liquido, così come si scioglie la cera della candela.

Ha provato a mettere l’acqua in freezer e ha potuto constatare che si solidifica. Mi ha osservata mettere l’acqua sul fuoco in una pentola e ha visto che quando iniziava a bollire usciva un fumo, ovvero l’acqua evaporava passando allo stato gassoso.

 

Abbiamo guardato questo video di Rai scuola:

http://www.raiscuola.rai.it/articoli/i-cambiamenti-di-stato-solidi-liquidi-gas/9222/default.aspx

Osservando i 3 diversi stati della materia: solido, liquido, gassoso e di come ad esempio l’acqua possa passare molto facilmente a tutti e 3 gli stadi, ma di come anche ogni altra sostanza possa avere una temperatura diversa per diventare liquida o solida.

Tirare fuori l’acqua dal fuoco

Abbiamo poi guardato un poco anche questo altro video Rai: http://www.raiscuola.rai.it/articoli/esperimenti-di-chimica-acqua-dal-fuoco/21419/default.aspx

E’ un video per un’ età maggiore di Francesco, ma abbiamo apprezzato in particolare le fasi finali sull’esperimento di tirare fuori l’acqua dal fuoco!

Con sorpresa abbiamo visto effettivamente l’acqua uscire fuori da una combustione ottenuta in un grosso boccione cosparso di alcol etilico. Perché il prodotto della combustione, oltre all’anidride carbonica è proprio l’acqua, ed è per questo che spesso l’acqua può spegnere gli incendi, così come l’anidride carbonica riempie gli estintori.

La combustione nel corpo umano

Abbiamo infine anche fatto un accenno alle combustioni che avvengono nel nostro corpo sia nel “bruciare” le calorie degli alimenti, sia nella respirazione.

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