La combustione e il potere calorifico.

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1 Prof.ssa Paola Luisa Albano La combustione e il potere calorifico. In questa esperienza, proposta ad una classe del biennio di scuola superiore, è previsto che i ragazzi conoscano già il concetto di combustibile e comburente. L esperienza è collocata in un laboratorio di fisica. Per questo motivo si insiste su concetti prettamente fisici e non chimici di calore Il lavoro è previsto dopo che i ragazzi hanno affrontato l argomento con il docente di scienze o in sua compresenza. Discipline coinvolte: Fisica, scienze Obiettivi: Saper calcolare il potere calorifico. Saper individuare le caratteristiche calorifiche di alcune sostanze Acquisire il concetto di energia Acquisire il concetto di aggregazione della materia. Prerequisiti: Conoscere il concetto di combustibile e comburente Conoscere il ruolo dell ossigeno nella combustione Conoscere il concetto di calore ed energia Conoscere l energia di legame. Premessa. La combustione è uno dei metodi maggiormente impiegati per produrre calore. Si tratta di una reazione chimica in cui due reagenti, chiamati combustibile e comburente, si combinano per produrre nuove sostanze. Come prodotto di questa reazione c è anche una notevole quantità di calore. Quando si è avanzata l ipotesi di calcolare il calore prodotto in una combustione si è aperta una discussione per la scelta dei materiali da utilizzare. L esperienza voleva affrontarsi con materiali facilmente reperibili anche all interno delle nostre case. Qualcuno voleva utilizzare un fornello ad alcool, qualcun altro il gas di un fornello da campeggio,altri ancora una candela. Erano tutti d accordo che il calore generato sarebbe stato diverso e di qui è nata l esigenza di quantizzarlo.

2 Esperienza Calcolo del potere calorifico dell alcool. Materiale occorrente: 100 ml (0.1 kg) di acqua e dell alcool; becher; fornellino ad alcool; termometro; stoppino in canapa. Descrizione dell esperienza: Pesiamo sulla bilancia il becher e indichiamo con m 1 la sua massa. Versiamo dell acqua e misuriamo la massa di tutto il sistema indicandola con m 2. La massa dell acqua sarà m 2 -m 1. Misuriamo la temperatura dell acqua e indichiamola con t 1. Misuriamo il fornellino ad alcool. Descrizione della prova: inizialmente è stato pesato il fornellino ad alcool su una bilancia elettrica. Sono stati versati in un becher 100 ml d acqua e poi è stata misurata la temperatura dell acqua stessa. In seguito abbiamo riscaldato i 100 ml d acqua sul fornellino ad alcool, finché non è stata raggiunta la temperatura di circa 50 C. Terminata questa operazione, è stato nuovamente pesato il fornellino ad alcool. La differenza fra la massa iniziale dell alcool e quella finale, rappresenta la quantità di alcool consumato. Sono stati registrati tutti i dati, presenti nella tabella riportata di seguito. Tabella.

3 PROVA m A = 100 ml (0.1 kg) m i AL = 163 g m f AL = g 0.5 g ( kg) = alcool consumato t i A = 18.8 C t f A = 48 C t A = 29.2 C Q = 2.92 Cal P = 5840 Cal/kg m A = massa dell acqua; m i AL = massa iniziale dell alcool (prima della combustione); m f AL = massa finale dell alcool (dopo la combustione); t i A = temperatura iniziale dell acqua; t f A = temperatura finale dell acqua; t A = variazione di temperatura dell acqua; Q = calore prodotto dalla combustione; P = potere calorifico. Per calcolare il potere calorifico dell alcool abbiamo utilizzato questa formula: P = Q/m AL Il simbolo m AL indica la massa dell alcool consumato. Come si vede dalla formula, per calcolare il potere calorifico è necessario conoscere anche il calore Q. Per calcolarlo bisogna utilizzare la seguente formula: Q = m A c A t A Il simbolo c A indica il calore specifico dell acqua (4186 J/kg K). Materiale occorrente candela becher da 400 ml supporto per candela termometro treppiede con reticella frangifiamma bilancia Potere calorifico della candela

4 Accendiamo la candela e poniamola sotto il becher dopo aver preventivamente disposto il supporto con il frangifiamma. Inseriamo nell acqua il termometro sostenendolo per non toccare il fondo del recipiente. Quando la temperatura è aumentata di 20 C spegniamo la candela. La temperatura è aumentata di 20 C. Da chi ha acquistato calore l acqua? Il calore assorbito dall acqua equivale a quello prodotto dalla combustione della candela Q mct Dati: massa becker massa becher + acqua massa acqua 49,4 101,4 52 massa candela inizio massa candela finale variazione massa candela 56,4 55,89 0,51 temperatura iniziale temperatura finale variazione di temperatura

5 Dove t è l intervallo di temperatura, c il calore specifico dell acqua (4186J/K), m la massa dell acqua E possibile sapere 1 gr di candela quanto calore ha ceduto? Puoi cioè calcolare il potere calorifico? I calcoli effettuati sono i seguenti Q=4186J/(kg K)*0,52kg*293K=637778J q Q ced da un grammo di candela m 5 Pot cal=637778/0,51= J/kg=1, J/kg Il calore ceduto dalla candela è lo stesso di quello acquistato dall acqua? L energia interna acquistata dall acqua è utilizza tutta per aumentarne la temperatura. Gli alunni considerano che in parte è andata dispersa nell ambiente. In parte è stata assorbita dal becher e in parte è servita per rompere l energia dei legami. Alcuni alunni ritengono che, consumandosi la candela, la fiamma si sia abbassata e pertanto il calore ceduto non sia stato costante. Alcuni alunni ritengono che questo problema intervenga solo nella durata di tempo per il riscaldamento, ma non interviene a modificare l esperienza. A tale scopo abbiamo tagliato la candela e effettuato le misurazioni che hanno effettivamente procurato una attesa maggiore per il raggiungimento della temperatura, ma non sono stati inficiati i valori. Una alunna focalizza la sua attenzione sulle gocce di paraffina che scivolano lungo la candela. Ma sono tutti in accordo che si tratta di un passaggio di stato da solido a liquido. Di che cosa è fatta la candela? Sicuramente di idrogeno, il quale combinandosi con l ossigeno dell aria produce acqua. L esperimento ha messo in luce la presenza di acqua in seguito alla combustione. Oltre alla candela quali altri combustibili conosci? Alcol e benzina ad esempio bruciano perché sono fatti di composti chimici simili a quelli presenti nella candela? Il legno e la carta sono fatti anch essi dello stesso materiale? Parlando di potere calorifico i ragazzi si sono chiesti se vi fosse una connessione con le calorie che abitualmente si ingeriscono con gli alimenti. Inizialmente sono tutti perplessi e ritengono che non vi sia nessun nesso. Questo perché una candela o dell alcool non sono alimenti e pertanto non è possibile fare un paragone. Si fa osservare che la candela fornisce energia e che gli alimenti danno energia al nostro corpo e ci consente di compiere lavoro. Una alunna osserva che anche nel nostro corpo avvengono

6 continuamente processi di combustione tra le sostanze nutritive e l ossigeno dell aria, trasportato nei tessuti dall emoglobina del sangue. Il carbonio e l idrogeno contenuti negli alimenti, reagendo con l ossigeno che respiriamo, rendono disponibile l energia per le funzioni vitali. Il potere calorifico si misura in J/Kg quindi è energia prodotta dalla combustione dall unità di massa. Anche gli organismi viventi sopravvivono grazie all energia generata dalla combustione degli alimenti. Dopo essere stati incoraggiati i ragazzi sono stati invitati a verificare provando a far generare calore da una sostanza commestibile. E stato chiesto loro se, quando praticano dello sport, i loro insegnanti suggeriscono di ingerire qualche particolare alimento. Senza ombra di dubbio quasi tutti hanno riconosciuto nello zucchero la sostanza maggiormente consigliata perché ritenuta un buon fornitore di energia per il corpo umano. Ci siamo dunque procurati alcune zollette di zucchero. E stato chiesto ai ragazzi di trovare un modo per accendere le zollette. Qualcuno ha tentato di estrarre lo stoppino da una candela e di inserirlo nello zucchero, altri hanno tentato di costruire uno innesco con della carta, ancora abbiamo provato con della cenere di sigaretta, ma il metodo più efficace è stato quello di innescare con un batuffolo di ovatta e alcool. Avviciniamo quindi una fiamma e osserviamo lo zucchero bruciare anche dopo che si è allontanata la fiamma che è servita dainnesco.

7 massa iniziale acqua 92,1 massa zucchero iniziale massa zucchero finale variazione massa zucchero 334,4 327,2 7,2 temperatura iniziale temperatura finale variazione di temperatura 22,2 30 7,8 Q= 4186 J/kgK*280,8 K*0,921kg= J Pot cal= J/0,72 kg= j/kg=1, J/kg. Gli alunni al termine dell esperienza si sono mostrati interessati e hanno proposto di bruciare altre sostanze alimentari per creare una tabella delle calorie. Con l insegnante di scienze hanno quindi proceduto alla stesura di una dieta equilibrata e adatta a dei ragazzi di quindici anni. Si propone ora una esperienza da far realizzare ai ragazzi. Progettazione: Obiettivo: correlare la combustione dei materiali organici con la respirazione dell uomo, mediante l esame delle analogie e delle differenze dei due processi comprendere che durante la germinazione si produce CO 2 individuare affinità fra combustione e respirazione Materiale occorrente: Acqua di calce, semi di fagioli germinati, semi di fagioli non germinati Tre barattoli di vetro con tappo Bicchierini di carta Cannuccia di bibite Esecuzione: Numerare i barattoli e introdurre nel primo solo acqua di calce. Nel secondo acqua di calce e il bicchierino con i semi non germogliati. Nel terzo acqua di calce con i semi germogliati. Tappare i barattoli ed osservare. Prendere ora un bicchiere con acqua di calce e tramite una cannuccia soffiarvi all interno.

8 Domande: perché l acqua di calce nel terzo barattolo si è intorbidita? Qual è la reazione chimica che determina l intorbidamento dell acqua? Nella respirazione qual è il combustibile? Prova di verifica. 1) dopo aver mangiato 120 g di riso un uomo sistema in una legnaia una catasta di legna del peso di 500kg posizionandola su di una mensola sollevata di 1,5m da terra. Calcola la variazione dell energia interna dell uomo, considerando, che nello stesso periodo (3h) l uomo ha un fabbisogno energetico metabolismo di 1, J. 2) Spiega alla luce del primo principio della termodinamica, perché gli organismi viventi per vivere devono nutrirsi. 3) Anna prepara il tè per le sue amiche. Riscalda sul fornello a gas 1 l d acqua dalla temperatura di 24 C a quella di 100 C. Il potere calorifico del gas della rete cittadina è 1, J/m 3. Ricorda che la densità dell acqua vale 1000 kg/m 3. Quanto gas deve bruciare Anna per preparare il tè?.