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Esperimento 7 : Calorimetria

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Apparecchiatura:

  • L’attrezzatura per la determinazione del calore specifico dei vari materiali presi in considerazione, comporta l’utilizzo di:
    •
    1. Calorimetro
    2. Termometro digitale con sonda al platino
    3. Acqua
    4. tre pezzi di metalli (rame, ottone, alluminio)
    5. Fornelletto elettrico e recipiente pieno d’acqua
    6. Cilindri graduati

     

    Teoria:

  • L’esperimento ha come scopo la determinazione sperimentale del calore specifico di alcuni metalli selezionati quali:
    •
    1. il rame
    2. l’ottone
    3. l’alluminio
  • La quantità di calore ceduta o acquistata da un corpo é data dalla relazione:

    Q = m c ( Tf - Ti )

    dove m é la massa; c é il calore specifico e ( Tf - Ti ) é la variazione di temperatura.

    Le leggi della termodinamica affermano che se il sistema é isolato, allora la quantità di calore ceduta da un corpo é pari a quella acquista dall’altro. Il nostro sistema sperimentale é formato da una certa quantità di acqua e da delle piastre di metallo, il tutto contenuto in un calorimetro, quindi la perdita di calore é minima e comunque possibile da calcolare. Si può quindi scrivere che in questo caso la quantità di calore ceduta dal metallo é in relazione con quella acquistata dall’acqua, secondo questa formula:

    ma ca (Tf - Tai ) = mM cM (Tf - TMi )

    In questa relazione però non si tiene conto della presenza del calorimetro nel sistema , quindi dato che anche questo può disperdere una certa quantità di calore, abbiamo considerato anche l’equivalente in acqua del calorimetro, così da avere solo due quantità in gioco:

    mc = m2 - m1

    dove mc é l’equivalente della massa del calorimetro in acqua (quantità che andrà aggiunta alla massa reale dell’acqua); le due masse sono quantità d’acqua a diverse temperature T1 e T2, mentre la Te é la temperatura di equilibrio del sistema.

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    Determinazione dell’equivalente in acqua del calorimetro

  • Per semplicità abbiamo scelto di usare una quantità identica di acqua, ma a diverse temperature.

    da questi risultati sperimentali abbiamo potuto stimare la massa media in acqua del calorimetro:

    •

    Determinazione del calore specifico dei metalli considerati

     

    Dati sperimentali

  • Abbiamo riscaldato i tre metalli dentro un pentolino sopra il fornelletto elettrico portando all’ebollizione l’acqua per rendere stabile la temperatura dei metalli (circa 96° C, poiché la pressione e l’altitudine del laboratorio non sono quelle che si possono riscontrare al livello del mare).

    Nel calorimetro, intanto avevamo immesso una certa quantità di acqua ( 200g circa) a temperatura ambiente ( circa 14° C).

    Quindi si é portato il metallo nel calorimetro il più velocemente possibile per non disperdere il calore nell’aria, ed abbiamo aspettato che si raggiungesse la temperatura di equilibrio all’interno del calorimetro. In questo modo il sistema era pressoché isolato e la quantità di calore totale rimaneva costante.

    da questi risultati abbiamo ricavato la misura del calore specifico di ogni metallo preso in considerazione

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    Osservazioni e conclusioni

  • I valori del calore specifico trovati non si allontanano molto da quelli delle tabelle( cAl = 0, 217 Kcal/Kg ° C; cCu= 0,095 Kcal/Kg ° C ), anche se i nostri hanno molte cause d’errore fra cui:
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    1. La temperatura del metallo nel fornelletto non é molto precisa dato che il riscaldamento non é omogeneo in tutti i punti.
    2. E’ inevitabile che durante il tragitto, seppur breve e veloce, per portare il metallo dal pentolino al calorimetro si perda una certa quantità di calore.
    3. Per rendere apprezzabile l’innalzamento della temperatura in condizioni di equilibrio, é necessario usare una minor quantità di acqua nel calorimetro, anche se bisogna tener conto del fatto che il metallo deve essere immerso completamente nell’acqua. Noi abbiamo deciso di utilizzare 200g di acqua, così da arrivare ad un compromesso tra queste due esigenze
    4. Per avere delle misure molto più precise di quelle ottenute da noi sarebbe stato utile avere un refrigeratore per diminuire la temperatura dell’acqua ad un valore prossimo al suo congelamento, oppure ottenere molte più misure di quelle da noi fatte.