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Il termine materia deriva dall'equivalente latino materia, ma può essere ricondotto direttamente anche al termine latino mater, che significa madre. L'etimologia del termine lascia quindi intuire come la materia possa essere considerata il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose: la sostanza prima di cui tutte le altre sostanze sono formate. Tutto ciò che occupa spazio e ha massa è conosciuto come materia. Distinguiamo la materia in tre stati di aggregazione: solido ,liquido e gassoso. Secondo la visione classica ed intuitiva della materia, tutti gli oggetti solidi occupano uno spazio che non può essere occupato contemporaneamente da un altro oggetto. Ciò significa che la materia occupa uno spazio che non può contemporaneamente essere occupato da un'altra materia, ovvero la materia è impenetrabile (principio dell'impenetrabilità). La materia omogenea ha composizione e proprietà uniformi. Può essere una mistura, come il vetro, un composto chimico come l'acqua, o elementare, come rame puro. La materia eterogenea, come per esempio il granito, non ha una composizione definita.
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Materia,sostanze e corpi Se inserisci un cubetto di ghiaccio in un bicchiere colmo di acqua fino all’orlo,l’acqua fuoriesce per lasciare posto al cubetto di ghiaccio. Acqua e ghiaccio non possono infatti occupare lo stesso spazio. Il peso del sasso e il peso dello stesso sasso sbriciolato sono uguali. Il sasso ha quindi una sua massa,che non varia anche se non viene deformato. Conclusioni La materia è tutto ciò che occupa uno spazio ben preciso,che non può essere occupato contemporaneamente da altra materia,ovvero,la materia è impenetrabile,ha una massa e quindi un suo peso.
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I gas si possono comprimere i liquidi no. Una delle proprietà che differenzia i liquidi dai gas è il fatto che mentre il volume dei primi resta sempre costante, il volume dei gas varia, in particolare si riduce per effetto di compressione. Se prendi in mano una siringa con lo stantuffo in parte sollevato, puoi constatare che la siringa non è affatto “vuota”. Basta infatti immergerla in un recipiente d’ acqua e spingere a fondo lo stantuffo e vedrai subito uscire numerose bollicine: la siringa era piena d’ aria. Materiali Una siringa senza ago Una vaschetta Acqua Procedimento Dopo aver fatto questa verifica, riempi d’ aria la siringa tirando completamente lo stantuffo; ora chiudi con un dito il foro per l’ ago e spingi lo stantuffo. Svuota ora la siringa dall’ aria e riempila con l’ acqua contenuta nella vaschetta per metà circa. Spingi un po’ lo stantuffo in modo che nella siringa non ci siano bolle d’aria e poi chiudi con un dito il foro per l’ ago.
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Riconosciamo l’acidità di alcune sostanze. Procuriamoci delle cartine al tornasole, alcuni recipienti e delle sostanze di cui vogliamo riconoscere l’acidità, basicità o neutralità, ad esempio succo di limone, acqua distillata, sapone da bucato, aceto, ammoniaca e bicarbonato. Prepariamo delle soluzioni acquose delle varie sostanze sciogliendone qualche cucchiaio in acqua . Versiamo tutte le nostre soluzioni nei vari recipienti separatamente e con le cartine al tornasole, una per ogni soluzione, valutiamo il pH.
• Qual è la sostanza più acida? -----------------------------------------------------------------------------------• E la più basica? ----------------------------------------------------------------------------------• C’è qualche sostanza neutra? ----------------------------------------------------------------------------------• Se sì, quale? ----------------------------------------------------------------------------------• Sistema le varie sostanze secondo la numerazione che hanno, dalla più acida alla più basica.
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Durante la prima metà del Settecento gli studiosi ricorrevano alla sostanza elementare denominata flogisto per spiegare il riscaldamento di alcuni materiali e la combustione. Negli anni successivi i fenomeni termici vennero ricondotti alla teoria secondo la quale il calore era un fluido non visibile, che entrando dentro la materia di un corpo poteva aumentarne la temperatura. Nonostante gli studi seicenteschi di Robert Boyle sulla relazione tra il moto delle particelle e il calore, solamente verso metà del XIX secolo si gettarono le basi della termodinamica, grazie agli studi del fisico tedesco Robert Mayer (1842) e di quello inglese Joule (1843), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo. il calore è definibile come "energia in transito", non come "energia posseduta da un corpo"; esso viene "scambiato" tra due corpi (o due parti dello stesso corpo) e non "posseduto" da un singolo corpo (come invece succede per l'energia interna). In particolare, il calore fluisce a causa di una differenza di temperatura tra il sistema oggetto di studio e l'ambiente con esso interagente, quindi il calore si manifesta solo nel momento in cui
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transita tra sistema ed ambiente a causa di una differenza di temperatura e non è in alcun modo riconoscibile all'interno del sistema e dell'ambiente come proprietà intrinseca degli stessi. Il trasferimento (o scambio o propagazione) del calore tra sistemi può avvenire: per conduzione: in uno stesso corpo o fra corpi a contatto si ha una trasmissione, per urti, di energia cinetica tra le molecole appartenenti a zone limitrofe del materiale. Nella conduzione viene trasferita energia attraverso la materia, ma senza movimento macroscopico di quest'ultima; per convezione: in un fluido in movimento, porzioni del fluido possono scaldarsi o raffreddarsi per conduzione venendo a contatto con superfici esterne e poi, nel corso del loro moto (spesso a carattere turbolento), trasferire (sempre per conduzione) l'energia acquistata ad altre superfici, dando così luogo ad un trasferimento di calore per avvezione. In un campo gravitazionale quale quello terrestre (associato alla forza peso), tale modalità di trasferimento di calore, detta convezione libera, è dovuta al naturale prodursi di correnti avvettive, calde verso l'alto e fredde verso il basso, dovute a diversità di temperatura e quindi di densità delle regioni di fluido coinvolte nel fenomeno, rispetto a quelle del fluido circostante; per irraggiamento: tra due sistemi la trasmissione di calore può avvenire a distanza (anche nel vuoto), per emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche: anche in questo caso il corpo a temperatura inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda.[7] Il meccanismo dell'irraggiamento non richiede il contatto termico tra i corpi coinvolti nel processo.
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ESTATE
STAGIONI SUDORE
CICLO
TERRA
SOLE
CIBO COTTO
CALDO
DELL’ACQUA FORNO
CALORE
PENTOLA
VAPORE CALORIFERO
AMARE
RISCALDAMENTO
LANA FEBBRE MAGLIONE
ABBRACCIO
TERMOMETRO
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Calore e temperatura Passaggi di stato e temperatura Materiale occorrenti: • Un becher • Un fornello • Un termometro(in grado di misurare da -10°C 10°C +150°C) • Acqua • Ghiaccio • Cronometro • Carta millimetrata Esecuzione: 1)Mettiamo acqua e ghiaccio nel becher. 2)Misuriamo la temperatura di partenza(immergiamo il termometro nell’acqua). 3)Accendiamo il fornello. 4)Misuriamo a intervalli di 30-60 30 60 secondi la temperatura e registriamola su una tabella. 5)Segniamo in blu il momento in cui il ghiaccio comincia a fondere. 6)Controlliamo la temperatura finchè tutto il ghiaccio si è sciolto. 7)Riscaldiamo fino all’ebollizione e segniamo in rosso il momento in cui l’acqua comincia a bollire. 8)Continuiamo a controllare la temperatura durante l’ebollizione. 9)Riportiamo i dati raccolti su un grafico, ponendo sull’ ascissa(asse orizzontale)il tempo e sull’ordinata(asse sull’ordinata(asse verticale) la temperatura Risultati: Dal grafico potremo rilevare il comportamento dell’acqua durante i passaggi di stato:fusione ed ebollizione.
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Equilibrio termico I due corpi raggiungono la stessa temperatura
Esecuzione: • Procurati un recipiente di vetro , un chiodo e un termometro. Riempi un recipiente di acqua e misurane la temperatura. Tenendolo con una pinza, scalda il chiodo alla fiamma di un fornellino finchè non diventa rovente. Immergi il chiodo nell’acqua e controllane la temperatura. • Che cosa osservi? La temperatura dell’acqua si mantiene uguale a quella iniziale,aumenta o diminuisce? E il chiodo osservandone il calore ti sembra che si mantenga rovente, si raffreddi o si riscaldi? • L’acqua diventa più calda e il chiodo via via più freddo ,il termometro sale perché segna l’ aumento di temperatura dell’ acqua, ma a un certo punto si ferma, la temperatura dell’acqua non aumenta più. Conclusioni Il calore si propaga da un corpo all’ altro passando sempre da quello a temperatura più elevata a quello a temperatura meno elevata, finchè i due corpi non raggiungono la stessa temperatura cioè l’equilibrio termico.
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Pressione e temperatura Strumenti utilizzati: • Due barattoli • un palloncino • bottiglina di vetro Fasi del progetto: 1)abbiamo preso 2 barattoli e li abbiamo riempiti uno con acqua fredda e l’altro con acqua calda 2) abbiamo messo il palloncino sulla bottiglia piena d’acqua 3)abbiamo messo la bottiglia con il palloncino nell’acqua bollente e il palloncino si è gonfiato . Poi l’abbiamo messo nel barattolo con l’acqua fredda e il palloncino si è sgonfiato Conclusioni: Abbiamo notato che il palloncino si è gonfiato nel primo caso perché l’aria si è riscaldata e tende ad espandersi. L’ esperimento ci dimostra che l’aria calda si dilata ed è più leggera, leggera perché le molecole si agitano.
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L'acqua è una componente fondamentale di tutti gli organismi viventi presenti sul nostro pianeta. Nelle nubi interstellari della nostra galassia, la Via Lattea, è stata riscontrata la presenza di molecole d'acqua. Si presume che l'acqua sia abbondante anche in altre galassie, dato che i suoi componenti elementari (idrogeno e ossigeno) sono tra i più abbondanti elementi dell'universo. L'acqua è un composto chimico di formula molecolare H2O, in cui i due atomi di idrogeno sono legati all'atomo di ossigeno con legame covalente L'acqua assume più forme in natura. Allo stato solido è nota come ghiaccio, allo stato aeriforme è nota come vapore acqueo. L'acqua allo stato liquido presenta diverse anomalie: punto di ebollizione molto alto; volume molare piuttosto basso; calore specifico elevato con un minimo a 35 °C; viscosità che presenta un minimo alle alte pressioni; un punto di massimo nel diagramma densità-temperatura, per cui al di sotto della temperatura di massimo il liquido diminuisce di volume all'aumentare della temperatura. Inoltre durante il processo di congelamento si ha un notevole aumento di volume. Chimicamente l'acqua è un buon solvente. Le proprietà solventi dell'acqua sono essenziali per gli esseri viventi, dal momento che consentono lo svolgersi delle complesse reazioni chimiche che costituiscono le basi della vita stessa (ad esempio, quelle che avvengono nel sangue o nel citoplasma della cellula).
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GHIACCIO MARE
PIOGGIA
FIUME Costituente cellulare
Acqua
VAPORE
LAGO
IGIENE PISCINA BERE
IRRIGAZIONE
Fotosintesi clorofilliana
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La pressione idrostatica. La pressione idrostatica agisce in ogni direzione e perpendicolarmente. Prendi un palloncino di gomma sgonfio e fissalo a un rubinetto. Riempilo lentamente di acqua e, quando è ben gonfio, con uno spillo fai dei forellini in vari punti. Che cosa osservi? Dai fori escono zampilli d’ acqua tutti uguali? E in quale direzione? Dai fori gli zampilli d’ acqua escono tutti uguali e in direzione perpendicolare alla superficie del palloncino. Puoi dedurre che la pressione dell’ acqua agisce in tutte le direzioni perpendicolarmente alle pareti del recipiente che la contiene.
Liquidi in movimento. Calcoliamo la portata di un rubinetto.
Procurati un recipiente graduato e un cronometro. Poni il recipiente sotto il rubinetto, apri il rubinetto e riempi per un tempo ben preciso, ad esempio 5 secondi esatti, il recipiente. Chiudi istantaneamente il rubinetto e leggi il volume dell’ acqua raccolta nel recipiente graduato. Tale volume, supponiamo 10 litri, rappresenta l’ acqua che ha attraversato in 5 secondi la sezione del rubinetto. Per calcolare la portata del rubinetto basterà quindi dividere tale volume per i secondi.
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Liquidi in quiete. In un bicchiere appoggiato su un piano e quindi in equilibrio stabile è stata versata dell’acqua. Come si dispone la sua superficie, che prende il nome di superficie libera? La superficie libera dell’acqua in stato di quiete è piana e orizzontale e lo è per qualsiasi liquido, anche se incliniamo il piano di appoggio. In un recipiente formato a sua volta da vari recipienti di forma e dimensioni diverse ma tutti fra loro comunicanti (che prendono il nome appunto di vasi comunicanti) è stato versato del liquido. Quando il liquido è fermo, cioè in quiete, quale livello raggiunge nei vari recipienti? Il liquido raggiunge lo stesso livello in tutti i recipienti qualunque sia la loro forma e il loro volume. Se tra i vasi comunicanti ci sono dei tubi sottilissimi, detti capillari, il liquido raggiunge ancora lo stesso livello? Il liquido nei capillari continua a salire tanto più in alto quanto più sottile è il capillare. Oltre alla forza di coesione, nei liquidi entrano in gioco infatti le forze di adesione, che fanno aderire le molecole fra loro e con la superficie con cui vengono a contatto. Le forze di adesione nei capillari, dove la superficie di contatto tra acqua e vetro è estesa, superano quelle di coesione e le molecole si “arrampicano” lungo le pareti del capillare.
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MOTI CONVETTIVI PROGETTAZIONE stabiliamo di usare come materiale: un contenitore largo; un contenitore più stretto; una provetta. ESECUZIONE In ciascun dei tre recipienti versiamo una certa quantità di acqua (potremo misurarla con un cilindro graduato) e in essa versiamo la stessa quantità di segatura . Inizialmente faremo un esperimento di prova per verificare se avviene il fenomeno . Riscalderemo con un fornelletto , per esempio, il vaso più largo dopo pochi minuti vedremo che la segatura si nella posizione primitiva descrivendo anche i cerchi la segatura dunque ci aiuta a visualizzare a vedere il movimento dell’acqua che si sposta perche riceve energia termica (calore)
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Evaporazione di acqua ed alcool Prendiamo due cilindri graduati e in uno versiamo 200 cc di acqua,nell’altro 200 cc alcool. Dovrete a questo punto dividervi in lavoro fra i componenti del gruppo uno di voi dovrà controllare l’abbassamento di livello dei due liquidi ne i due cilindri un altro dovrà scandire lo scorrere del tempo (con un orologio che abbia la sensibilità di un secondo ); il terzo che dovrà trascrivere trascrivere i risultati in tabella . Cii aspettiamo che il livello dell’acqua (e dell’alcool) diminuisca progressivamente .
Cii aspetteremo quindi risultati del tipo seguente: seguente TABELA DEI VALORI ASPETTATI TEMPO (IN VOLUME VOLUME SEC). ACQUA(IN CC) ALCOOL (IN CC) 00 200 200 30 190 180 60 180 160 90 170 140 120 160 120
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Vaporizzazione e condensazione PIÙ SUPERFICIE PIÙ EVAPORAZIONE • Prendi due bicchieri con base diversa, riempi di acqua fino a raggiungere lo stesso livello e ponili su un termosifone acceso per favorire l’evaporizzazione. • Che cosa osservi dopo un po’? Dove è evaporata più acqua? Nel bicchiere a base più larga o in quello a base più stretta? • Ne è evaporata di più nel bicchiere a base più larga. Puoi dedurre che l’evaporizzazione avviene tanto più rapidamente quanto maggiore è la superficie di contatto acqua-aria. Ciò accade perché aumenta il numero di molecole che possono liberarsi in aria. PI Ù CALORE, PIÙ EVAPORIZZAZIONE • Prendi due bicchieri uguali e versa in essi una stessa quantità di acqua. Poni un bicchiere sopra un termosifone ben caldo e l’altro su un tavolo • Che cosa osservi dopo un po’?Dove è evaporata più acqua?Nel bicchiere posto sul termosifone o quello sul tavolo? • È evaporata più acqua nel bicchiere posto sul termosifone; Puoi dedurre che l’evaporizzazione avviene tanto più rapidamente quanto maggiore è il calore che viene somministrato.
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Proprietà del ghiaccio Materiali di studio: • cubetto di ghiaccio Strumenti Utilizzati: • • • • •
Tavolo Piatto barattoli di vetro fiammifero sale colorato.
Fasi del progetto: 1. 2. 3. 4.
Con un pennarello abbiamo colorato il sale Abbiamo appoggiato tre cubetti di ghiaccio sul piatto Abbiamo appoggiato un fiammifero sopra ogni cubetto di ghiaccio Abbiamo versato del sale colorato sopra e abbiamo aspettato alcuni minuti . 5. Quando abbiamo provato a staccare il fiammifero dai cubetti di ghiaccio ci siamo accorti che i fiammiferi erano penetrati nel ghiaccio. 6. Abbiamo sollevato i cubetti di ghiaccio grazie ai fiammiferi penetrati all’interno.
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L'aria è la miscela di aeriformi (gas e vapori) costituente l'atmosfera terrestre. L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78% V/V di azoto, per il 21% V/V di ossigeno, per l'0,9% V/V di argon e per lo 0.04% V/V di anidride carbonica, più altri componenti in quantità minori. Il tasso di diossido di carbonio risulta molto variabile negli ultimi tempi. In particolare le attività umane (industria, inquinamento, combustione, deforestazione, ecc...) hanno prodotto nell'ultimo secolo un grosso incremento di questa percentuale, passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970 e a 350 ppm (0,035%) negli ultimi anni. La concentrazione di tale componente sembra essere (insieme a quella del metano ed altri gas) uno dei responsabili principali dell'effetto serra. La pressione atmosferica misura l'effetto che la spinta dell'aria ha sulla superficie con cui è a contatto. A parità di superficie, la pressione è tanto più grande quanto più grande è la spinta Infine, mentre la pressione dell'aria cambia fortemente con l'altitudine.
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È materia Le correnti d’aria Le brezze
Il vento
Pesa
Occupa spazio
Dilatandosi diventa più leggera.
Dilatazione
CALORE
L ‘ARIA
Conducibilità Il clima
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Pressione dell'aria Materiali: • bicchiere • acqua • cartoncino Esecuzione: Appoggia un cartoncino sull'orlo del bicchiere tenendolo premuto con una mano, capovolgi il bicchiere, togli la mano dal cartoncini ed osserva. Riempi il bicchiere d'acqua fino all'orlo, poggia il cartoncino sull'orlo del bicchiere tenendolo premuto con una mano, capovolgi il bicchiere, togli la mano dal cartoncino e osserva. Risultati: Che cosa succede? Nella prima prova il cartoncino poggiato sul bicchiere vuoto cade / non cade; nella seconda prova il cartoncino poggiato sul bicchiere pieno d'acqua cade / non cade. Infatti, nella prima prova, l'aria esercita uguale pressione sopra e sotto il cartoncino, mentre nella seconda prova la pressione esercitata dall'aria sul cartoncino è maggiore di quella esercitata dall'acqua sullo stesso cartoncino.
L’aria ha un peso Materiali: una bilancia di precisione un palloncino Esecuzione: Pesa il palloncino sgonfio ed annota il peso. Gonfia il palloncino, pesalo di nuovo ed osserva se la lancetta si è spostata. Risultati: Il palloncino gonfio pesa di più / non pesa di più rispetto a prima?
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L'ossigeno è indispensabile alla combustione Materiali di studio • • • •
candela piattino acqua colorata barattolo di vetro
Strumenti utilizzati • • • •
candela piattino acqua colorata barattolo di vetro
Fasi del progetto: 1.accendere la candela e con la cera fare un cerchio nel piattino. 2. realizzato il cerchio posizionare la candela al centro del piattino e versare all’interno acqua colorata. 3.mettere il barattolo di vetro sopra la candela . 4.dopo un po’ notiamo che il livello del liquido colorato sale. Conclusioni: La candela brucia consumando l'ossigeno dell'aria intrappolata nel barattolo. A questo punto lo spazio lasciato libero dall'ossigeno viene occupato dall'acqua. Qual è il livello dell'acqua nel barattolo? Misuralo con il righello. Con un semplice calcolo puoi determinare la quantità di ossigeno presente nell'aria: dividendo il valore dell'altezza raggiunte dall'acqua nel barattolo per l'altezza del barattolo.
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Il suolo è lo strato superficiale che ricopre la crosta terrestre, derivante dall'alterazione di un substrato roccioso, chiamato roccia madre, per azione chimica, fisica e biologica esercitata da tutti gli agenti superficiali e dagli organismi presenti su di esso. Il suolo può comprendere sia sedimenti sia regolite. Il suolo è composto da una parte solida (componente organica e componente minerale), una parte liquida e da una parte gassosa. Durante la sua evoluzione, il suolo differenzia lungo il suo profilo una serie di orizzonti. Il percorso di formazione di un suolo varia moltissimo in dipendenza dell'ambiente in cui si trova a svilupparsi, le cui caratteristiche dipendono dall'intensità di alcuni, ben definiti, fattori pedogenetici: il clima; la topografia; la componente biotica; la roccia madre; il tempo. Con il termine di degradazione dei suoli si intendono dei processi degenerativi che si traducono nella scomparsa di un suolo o nella sua perdita di capacità di fungere da substrato per le comunità biologiche che normalmente vi si sviluppano. La degradazione dei suoli è generalmente accostata a errati utilizzi da parte dell'uomo; tuttavia, esistono dei casi di degradazione del suolo anche in condizioni perfettamente naturali.
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Una parte inorganica
ghiaia
È costituito da
argilla
Una parte organica
IL SUOLO
Può essere
ghiaia
litosfera argilloso
sabbioso
sabbia
Permeabile poco fertile
humus
Impermeabile molto fertile
Permeabile poco fertile
COMPOSIZIONE DEL SUOLO
è organizzato in strati orizzontali sovrapposti
Orizzonte O
Orizzonte A
Orizzonte B
Orizzonte C
lettiera
Secondo strato ricco di humus
Terzo strato
Quarto strato
Stato esterno più sottile costituito da materia organica non decomposta
Traggono nutrimento le radici delle piante
Argilla,sabbia e ghiaia
Rocce frantumate
Roccia madre
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Permeabilità ed erosione del suolo Materiale Di Studio: • • • • •
Acqua Sabbia Argilla Terriccio pietre
Strumenti utilizzati: Paletta di ferro 1. Prepara tre contenitori trasparenti con diversi tipi di suolo. 2. Riempi una bottiglia d’acqua. 3. Versa l’acqua nei contenitori . Conclusioni Durante l’esperimento noterai che l’acqua penetra nei diversi tipi di suoli con una velocità diversa, la sabbia è la più permeabile e per questo non può essere utilizzata per le coltivazioni
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Quantità di acqua nel terreno. Materiali: • terreno • fogli di giornale • bilancia Esecuzione: Pesa il campione di terreno, distendilo su un foglio di giornale aperto, fallo asciugare per alcuni giorni, pesa nuovamente il campione. Risultati: l'acqua contenuta nel terreno è evaporata. Per conoscerne la quantità esegui la differenza tra la prima e la seconda pesata.
Aria nel terreno Materiali: • terreno asciugato con il metodo dell'esperimento precedente • due becher graduati • acqua • cucchiaio Esecuzione: Misura 100 centimetri cubi di terreno usando il becher graduato, versa 100 centimetri cubi di acqua nel terreno contenuto nel becher graduato, mescola e osserva. Misura il volume finale leggendo sulla scala graduata il livello raggiunto dall'acqua. Risultati: Dopo aver versato l'acqua si osservano delle bollicine di.....................................che fuoriescono dal terreno. Ciò prova che nel terreno, tra i granuli è contenuta una certa quantità di aria. Questa viene "scacciata" dall'acqua che penetra nel terreno. Per calcolare la quantità di aria presente basta che tu esegua questo calcolo V ( aria ) = ( V terreno + V acqua versata ) - V finale.
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IL VULCANO materiali di studio: • • • •
terreno erbetta bastoncini di legno acqua
strumenti utilizzati: • fiammiferi • carta
fasi del progetto:: 1.preparare preparare il terreno con dell’acqua, cementarlo bene e preparare una struttura con bastoncini di legno. 2.versare acqua nel terreno terr e con una palettina forma di vulcano.
modellare a
3.dentro al cratere mettere dell’erbetta secca e dei bastoncini di legno e infine accendere il fuoco Conclusioni Questo o esperimento ci ha fatto comprendere la struttura di un vulcano. vulcano
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