EQUILIBRIO TERMICO. Misure di temperatura. Caso I

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1 EQUILIRIO ERMICO Una delle grandezze utilizzate per descrivere i fenomeni termici è la temperatura. La temperatura è una grandezza fondamentale del Sistema Internazionale, si misura con il termometro, e la sua unità di misura fondamentale è il Kelvin (K). L'unità di misura che siete abituati ad utilizzare comunemente è il grado Celsius, o grado centigrado ( C). I termometri che utilizzeremo sono tarati in gradi Celsius. In questa esperienza andiamo a studiare l'uilibrio termico, un fenomeno che si presenta tutte le volte che mettiamo in contatto termico due corpi a temperatura diversa: dopo un certo tempo possiamo osservare che i due corpi hanno raggiunto la stessa temperatura, detta temperatura di uilibrio ( ). Per isolare termicamente i corpi oggetto del nostro studio li porremo all'interno di un contenitore adatto allo scopo (thermos). ndremo quindi ad osservare qual è il valore della temperatura di uilibrio in diverse situazioni, a seconda delle caratteristiche dei due corpi che mettiamo a contatto, in particolare la massa e il tipo di materiale. Facendo in modo che le temperature iniziali dei due corpi ( e ) siano sempre le stesse, vedremo come varia la temperatura di uilibrio nei seguenti casi: I. Corpi identici, aventi uguale massa e costituiti dallo stesso materiale II. Corpi di massa diversa e costituiti dallo stesso materiale III. Corpi aventi uguale massa e di materiale diverso Nel primo dei tre casi procederemo a fare un'ulteriore osservazione. Dopo aver portato all'uilibrio termico i due corpi identici, i gruppi si scambieranno uno dei due oggetti e provvederanno a confrontare le temperature dei corpi adesso posseduti. Misure di temperatura Caso I Si hanno a disposizione due oggetti identici e, un thermos, un termometro. Uno dei due corpi viene immerso in una pentola di acqua bollente, l'altro in un contenitore con ghiaccio fondente, all'interno dei due contenitori un termometro permette di misurare la temperatura. Misurare quindi: la temperatura dell'oggetto immerso in acqua bollente con il suo errore I (......) la temperatura dell'oggetto immerso nel ghiaccio fondente con il suo errore 1

2 I (......) I due corpi devono essere quindi introdotti nel thermos e posti a contatto, e il thermos deve essere subito richiuso. Dopo un po' si riapre il thermos e si misurano le temperature dei due corpi, che devono essere identiche. Se così non è si richiude il thermos e si procede alla misurazione successivamente. Riportare quindi la temperatura di uilibrio misurata: I (......) utti i gruppi hanno a disposizione oggetti identici. Scambiare quindi uno dei due oggetti e misurare la temperatura del nuovo oggetto acquisito confrontandola con quella di uilibrio appena misurata. Confrontare e commentare i dati ottenuti. Caso II Si hanno a disposizione due oggetti di massa diversa, ma dello stesso materiale. Procedere come prima, misurando le temperature iniziali dei due corpi immersi rispettivamente in acqua bollente e ghiaccio fondente, e la temperatura di uilibrio dopo averli messi a contatto all'interno del thermos. II (......) 2

3 II (......) II (......) Caso III Si hanno a disposizione due oggetti di massa uguale, ma di materiale diverso. Procedere come prima, misurando le temperature iniziali dei due corpi immersi rispettivamente in acqua bollente e ghiaccio fondente, e la temperatura di uilibrio, dopo averli messi a contatto all'interno del thermos. III (......) III (......) III (......) Commentare e confrontare i risultati delle misure, in particolare confrontare I, II, III. 3

4 La capacità termica desso introduciamo una nuova grandezza, detta capacità termica (C), che può essere utile a descrivere l'uilibrio termico. In particolare quando mettiamo a contatto due corpi e (con >, come abbiamo fatto, è sempre valida la seguente relazione: C ( ) C ( ) 0 che mette in relazione C e C se conosciamo le temperature. Proviamo quindi ad applicarla ai tre casi analizzati, sostituendo a,, i valori misurati. Caso I Caso II Caso III 4

5 Commentare quindi i risultati rispondendo alle seguenti domande: Ci sono casi in cui C = C, ovvero i due corpi hanno uguale capacità termica? Ci sono casi in cui C C? Quali sono le caratteristiche dei due oggetti messi a contatto, nei casi in cui hanno uguale capacità termica? Si può dire che la capacità termica dipende sia dalla massa che dal materiale? Se affermiamo che la capacità termica è una proprietà degli oggetti che dipende sia dalla massa che dal materiale di cui sono fatti, possiamo scrivere in generale: C c m Dove c è una grandezza costante che dipende dal materiale. d esempio per l'acqua c = 1 u, dove u è l'unità di misura con cui misureremo tale costante. Misura della capacità termica L'espressione precedentemente scritta, che mette in relazione la capacità termica di due oggetti e le temperature iniziali e finale, può essere utilizzata per determinare la capacità termica di un corpo a partire da dati noti. Si tratta quindi di una misura indiretta della capacità termica. ndiamo quindi ad effettuare questa misura, mettendo un oggetto solido con una certa quantità di acqua all'interno del thermos. 5

6 Misurare quindi la massa del corpo (m OGG ), la massa dell'acqua (m a ), le temperature iniziali ( OGG e a ) e la temperatura di uilibrio ( ), e riportarle di seguito. m OGG (......) m a (......) OGG (......) a (......) (......) Considerando il valore c a = 1 u per l'acqua si può determinare C a e ricavare quindi la capacità termica dell'oggetto in questo modo: C OGG C a a OGG Effettuare quindi i calcoli: 6