L’esperimento della fusione del ghiaccio a temperatura costante

Comprendere la differenza esistente tra calore sensibile e calore latente.
 

Comprendere che in tutti i cambiamenti di stato della materia la temperatura non varia
 

Conoscenza del concetto di temperatura e di calore
  

Comprensione della differenza esistente tra calore e temperatura
 

Conoscenza della scala termometrica dei gradi Celsius
 

Conoscenza degli stati della materia e dei relativi cambiamenti di stato, con particolare riferimento all’acqua
 

Un bicchiere contenente ghiaccio a temperatura  inferiore a 0 °C

Un termometro con sonda e display digitale

Opzionale: Una fonte di calore concentrata  (termosifone, fornelletto,ecc.)
 

Inizialmente la temperatura del ghiaccio contenuto nel bicchiere aumenta.
Giunti a 0 °C la temperatura  si stabilizza fino a quando tutto il ghiaccio non si è sciolto.
Avvenuto ciò, la temperatura ricomincia ad aumentare.

Far notare che il bicchiere acquista calore dall’ambiente o dalla fonte di calore in quanto si trova ad una temperatura inferiore ad esso

Far osservare l’andamento delle temperature nel tempo del bicchiere ed in particolare che, pur acquistando calore dall’esterno, esso mantiene la sua temperatura costante a 0 °C dal momento in cui inizia la fusione del ghiaccio fino a quando essa non ha termine

Invitare a confrontare il tempo necessario per la fusione completa del ghiaccio e il tempo necessario all'innalzamento della temperatura (anche di molti gradi) dell'acqua

Diagrammare le temperature misurate in un grafico

Ecco la rappresentazione grafica qualitativa attesa dall’esperimento: 

Calore e temperatura sono due grandezze fisiche in relazione tra loro, ma non sempre una somministrazione o una sottrazione di calore ad un corpo comporta una variazione della sua temperatura. Infatti durante un cambiamento di stato il calore che viene fornito o sottratto al corpo viene “consumato” dalla sostanza stessa per modificare i legami interatomici che portano alla modifica dello stato della materia. La quantità di calore (latente, cioè “nascosto”, poiché non implica una variazione di temperatura) necessaria per far avvenire il cambiamento di stato risulta di entità molto superiore rispetto alla quantità di calore (sensibile, cioè che porta ad un aumento della temperatura della sostanza) che è necessario fornire/sottrarre alla sostanza anche per produrre una notevole variazione della sua temperatura.
Quanto osservato per l’acqua è estendibile a tutti i tipi di sostanze, ivi compresi i normali refrigeranti utilizzati nell’industria del freddo, purché essi siano monocomponenti.
 

In un impianto frigorifero il calore latente utilizzato per sbrinare l’evaporatore, quando è ricoperto di ghiaccio, non porta ad un aumento della temperatura al di sopra di 0 °C all’interno del vano refrigerato. Di conseguenza nemmeno i cibi conservati subiscono un aumento di temperatura che può essere dannoso per la loro corretta conservazione nel tempo.
 

In un impianto frigorifero l’evaporatore viene attraversato da un liquido refrigerante che, acquistando calore da un fluido (aria o acqua) posto al di fuori dell’evaporatore stesso, ne produce il raffreddamento mediante la sottrazione di una certa quantità di calore. Tale calore, producendo il cambiamento di stato del refrigerante, è di tipo latente.
 

Un corpo che sta subendo un repentino riscaldamento può essere raffreddato o comunque mantenuto a temperatura costante semplicemente avvolgendolo con uno straccio bagnato (il calore, infatti, viene “consumato” dal processo di evaporazione dell’acqua contenuta nello straccio).
        

La cottura della pastasciutta avviene a temperatura costante in quanto durante tale fase l’acqua è in ebollizione