Schede di Laboratorio
La misura della costante solare
Presentazione dell'esperienza
La misura della costante solare è molto importante, perché da essa si possono ricavare alcuni parametri caratteristici del Sole, come la sua temperatura superficiale. In questa esperienza, ci si limita a eseguire questa misura a livello del suolo: si otterrà comunque un valore molto interessante in ambito tecnico, in relazione alle possibilità di utilizzo dell'energia solare.
Il metodo di misura che si propone in questa esperienza non consente di ottenere risultati molto precisi; tuttavia, esso ha il merito di poter essere realizzato con una strumentazione semplice e in un tempo relativamente breve.
Materiale occorrente
· Calorimetro
· Foglio di alluminio
· Candela
· Frigorifero
· Acqua
· Cilindro graduato
· Cronometro
Procedimento
· Qualche ora prima dell'esecuzione dell'esperienza, si mette il calorimetro nel frigorifero. Inoltre, bisogna disporre dell'acqua nella cella frigorifera, perché si produca il ghiaccio.
· Nell'attesa, si ritaglia dal foglio di alluminio un disco di dimensioni tali da riuscire a entrare con precisione nel calorimetro.
· Si misura l'area del disco.
· Si annerisce la faccia opaca del disco mediante il fumo di una candela.
· Quando il ghiaccio è pronto, lo si estrae dal frigo e si attende che inizi a fondersi. Quando ciò accade, si può assumere che la temperatura del ghiaccio sia uguale a 0°C.
· A questo punto, si estrae anche il calorimetro e lo si riempie fino a metà con il ghiaccio (eliminando l'acqua di fusione!), si copre il ghiaccio con il disco di alluminio, con la faccia annerita rivolta verso l'esterno, e si espone il tutto al sole, in modo che la superficie del disco risulti perpendicolare ai raggi solari.
· Si fa partire il cronometro e si attende per circa un quarto d'ora.
· Quindi, si prende nota del tempo trascorso e si estrae dal calorimetro l'acqua di fusione prodotta, travasandola nel cilindro graduato per misurarne il volume.
Considerazioni
Per l'esecuzione di questo esperimento, si scelga una giornata di sole nella bella stagione, in modo da avvicinarsi il più possibile alla situazione ideale per la località in cui si esegue la misura.
Il problema più difficile da risolvere nel preparare il dispositivo di misura è quello di limitare la quantità di calore che il ghiaccio assorbe dall'ambiente. Nel contempo, si deve fare in modo che il ghiaccio assorba efficacemente il calore che proviene dal Sole.
La misura più delicata è quella del volume dell'acqua di fusione; perciò, non deve andarne persa nemmeno una goccia. Se l'operazione di travaso comporta dei problemi, può essere effettuata mediante una siringa.
Relazione guidata
a. Il volume dell'acqua di fusione è:
V = ..... mL = ..... cm3
b. Quindi, la massa dell'acqua di fusione è:
m = ..... g = ..... kg
c. Inserisci la massa dell'acqua nella formula seguente:
Q = Qf x m
dove Qf rappresenta il calore di fusione del ghiaccio. Così, otterrai la quantità di energia assorbita dal ghiaccio durante l'esposizione ai raggi solari.
d. Dividi l'energia Q per il tempo di esposizione t e per la superficie esposta S (attenzione alle unità di misura!). Così facendo, otterrai il valore della costante solare:
c = Q / t x S = ..... W/m²
e. Qual è la funzione del calorimetro, in questa esperienza?
f. Qual è la funzione del foglio di alluminio? Perché deve essere annerito dalla parte esposta al Sole?
g. Perché è necessario attendere che il ghiaccio raggiunga i 0°C, per iniziare ad effettuare la misura?
h. Perché si può ritenere che il ghiaccio abbia raggiunto i 0°C quando comincia a fondersi?
Considerazioni finali
a. Confronta il tuo risultato con quelli ottenuti da altri compagni. Si può eseguire una media di questi valori?
b. Il risultato ottenuto è uguale a quello riportato nel testo?
c. Le differenze che sono state trovate sono causate da errori di misura o da imprecisioni dell'apparato sperimentale?
d. Che cosa muteresti nell'esecuzione dell'esperimento, per renderlo più efficace?
e. Vuoi aggiungere qualcos'altro, a completamento della scheda?
Problema
Progetta una serie di misure della costante solare, del genere di quella proposta nell'esperienza, aventi lo scopo di compiere un'estrapolazione per ottenere il valore della costante solare al di fuori dell'atmosfera.
Nota per l'insegnante
L'esecuzione di questa esperienza richiede competenze riguardanti la trasmissione di calore per irraggiamento, i passaggi di stato e i calori di fusione, nonché la conoscenza della riflessione e dell'assorbimento delle radiazioni luminose. Pertanto, si tratta di un'occasione per ripassare alcuni argomenti svolti in precedenza e per riflettere sulla necessità di sfruttare contemporaneamente le conoscenze in più campi, quando si affronta un problema reale.
Come foglio di alluminio, si può utilizzare quello comunemente usato nelle cucine per avvolgere gli alimenti. In genere, tali fogli sono dotati di una faccia più opaca: una volta ritagliato il disco, questa faccia verrà annerita ed esposta al Sole, per assorbire la maggior quantità possibile di radiazione. L'altra faccia verrà lasciata lucida, così intrappolerà le radiazioni termiche nel calorimetro. In assenza del disco di alluminio, la maggior parte della radiazione che incide sul ghiaccio andrebbe dispersa. Infatti, quest'ultimo è chiaro e parzialmente trasparente; pertanto, riflette e rifrange la maggior parte della radiazione, senza assorbirla.
Invece, il calorimetro serve per isolare il ghiaccio dall'ambiente circostante; per evitare, cioè, che esso venga riscaldato dall'aria o dal piano su cui viene appoggiato. Poiché il procedimento di misura si basa sulla fusione del ghiaccio, bisogna che la sua temperatura sia di 0°C quando si inizia a misurare il tempo, cosa che si verifica proprio quando il ghiaccio comincia a fondersi.