DETERMINAZIONE DEL CALORE SPECIFICO

DETERMINAZIONE DEL CALORE SPECIFICO Il calorimetro delle mescolanze è lo strumento usato per determinare i calori specifici e i calori latenti delle sostanze. Si tratta di un thermos con le pareti rivestire da un materiale isolante in modo da rendere minima la dispersione di calore. Il coperchio ermetico è dotato di due fori che consentono l introduzione di un termometro e di un agitatore per uniformare la temperatura del liquido contenuto all interno. Ogni calorimetro assorbe un po' di calore; per quanto sia piccola questa quantità, occorre tenerne conto per ricavare una misura accurata. MISURIAMO LA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO DI DUE UGUALI QUANTITA DI ACQUA INIZIALMENTE A DIVERSA TEMPERATURA. Nel calorimetro sia contenuta corpo di massa m ad una temperatura t. Se mettiamo nel calorimetro un secondo corpo di massa m ad una temperatura t t dopo un certo tempo viene raggiunta la temperatura di equilibrio te. La quantità di calore ceduta dal secondo corpo m è: Q cm t t e ( ) dove c è il calore specifico. In assenza di dispersioni Q dovrebbe essere uguale alla quantità di calore assorbita dal primo corpo m avente calore specifico c: Q c m ( t t ) e la temperatura di equilibrio sarà: Q Q c m t t c m t e t e t e cmt c m cm t c m Mescoliamo una massa di acqua m di 00 g alla temperatura ambiente t =8 C e una massa di acqua m di 00 g alla temperatura t = 80 C. Mettiamo le due quantità d'acqua nel calorimetro, chiudiamo il coperchio, agitiamo con cura: la temperatura di equilibrio è di 47,5 C. Utilizziamo i medesimi dati sperimentali per verificare se l'equazione dell'equilibrio termico fornisce lo stesso valore per la temperatura di equilibrio: e risolvendo otteniamo t E = 49 C. t e 8 80 IMPORTANTE CONSIDERAZIONE: La temperatura di equilibrio ottenuta sperimentalmente (47,5 C) differisce dalla temperatura prevista teoricamente (49 C). La differenza è dovuta all'assorbimento di una quantità di calore da parte del calorimetro. In realtà un calorimetro non è un

contenitore perfettamente ideale, perché, anche se è ben isolato verso l esterno partecipa allo scambio termico assorbendo una parte del calore in esso scambiato. Per calcolare questa quantità di calore bisognerebbe conoscere il calore specifico del calorimetro. Poichè il calorimetro è formato da numerose sostanze diverse, il calcolo sarebbe molto complesso. Allora si ragiona così: il calorimetro viene assimilato a una massa di acqua che assorbe la sua stessa quantità di calore. Si determina cioè la MASSA EQUIVALENTE del calorimetro. La massa equivalente (m e ) è una proprietà caratteristica, che varia da strumento a strumento. Per calcolare la massa equivalente del nostro calorimetro, che si trova anche esso a temperatura ambiente, dobbiamo modificare l equazione dell equilibrio termico. La massa che assorbe calore diventa quindi (m + m e ) e abbiamo: Sostituiamo i dati sperimentali e otteniamo: da cui: e quindi: (m + m e ) * c a * (t e - t ) = m * c a * (t -t e ) (00 + m e )* (47,5-8) = 00 * (80-47,5) (00 + m e ) * (9,5) = 00 * (3,5) 00 + m e = 00 * 3,5/ 9,5 m e = (00* 3,5/9,5)-00 m e = 0,3 g Il nostro calorimetro assorbe la stessa quantità di calore che assorbirebbero circa 0 g di acqua. Di questa quantità va tenuto conto in tutte le operazioni successive. Possiamo ora procedere a calcolare il calore specifico di un solido. A tale scopo mettiamo nel calorimetro una massa d'acqua m = 00 g e misuriamone la temperatura t = 0 C. Prendiamo poi il solido incognito e misuriamone la massa m = 0 g. Immergiamo il solido in un recipiente contenente acqua in ebollizione, cioè alla temperatura di 00 C. Successivamente trasferiamo velocemente il solido nel calorimetro, chiudiamo il coperchio e agitiamo con cura. Dopo qualche tempo leggiamo sul termometro la temperatura di equilibrio, t e = 6,8 C. I dati sono riassunti in tabella: massa (g) temperatura ( C) acqua 00 0 calorimetro 0,3 (massa equivalente) 0 corpo solido 0 00

Ricordiamo che la massa equivalente del calorimetro è 0,3 g e che il calore specifico dell'acqua c a è,00 cal/g o C. Possiamo ricorrere alla equazione dell'equilibrio termico modificata per tenere conto della massa equivalente del calorimetro: (m + m e )* c a * (t E -t ) = m * c x * (t -t e ) dove con c x indichiamo il calore specifico incognito. Sostituendo i dati sperimentali otteniamo: da cui e quindi (00 + 0,3) * * (6,8-0) = 0 * c x * (00-6,8) 0,3* 6,8 = 0 *c x * 73, da cui si ricava: 88,04 = 8.784 * c x c x = 88,04/8.784 = 0,093 cal/g o C Il valore trovato, confrontato con i valori della tabella dei calori specifici, ci dice che il nostro oggetto è di rame. Materiale necessario - Un calorimetro delle mescolanze; - acqua; 3 - un pentolino; 4 - due termometri con sensibilità di almeno 0.5 C per divisione; 5 - un fornello elettrico o a gas; 6 - oggetti di metallo: alluminio, ferro, ottone, zinco, rame; 7 - cilindro graduato con sensibilità di cm 3 /div; 8 - bilancia.

Esecuzione dell esperimento Con il cilindro graduato versiamo nel calorimetro un massa m di acqua tale da riempire circa metà della sua capacità (normalmente 00 g). Aspettiamo un paio di minuti e leggiamo la temperatura dell acqua t. Mettiamo acqua nel pentolino a metà della sua capacità e scaldiamola sul fornello fino alla temperatura di ebollizione. Immergiamo nell acqua bollente del pentolino il corpo metallico la cui massa m è stata precedentemente misurata con la bilancia. Aspettiamo qualche minuto per permettere al corpo di portarsi all equilibrio termico con l acqua, ossia alla temperatura di 00 C. Leggiamo la temperatura dell acqua bollente t nel pentolino e rapidamente spostiamo il corpo metallico nel calorimetro servendosi di una pinza metallica, evitando di versare acqua calda nel calorimetro. Con l agitatore mescoliamo finché viene raggiunto l equilibrio termico e leggiamo la temperatura di equilibrio te, che viene raggiunta rapidamente. Noto l equivalente in acqua del calorimetro, calcoliamo il valore del calore specifico c x del metallo mediante la (). Ripetiamo altre quattrocinque volte la misurazione di c. Determiniamo, procedendo nello stesso modo, il calore specifico degli altri oggetti.

Tabella 5:calori specifici medi dei corpi solidi e liquidi (fra 0 e 00 C, salvo le specifiche indicazioni) in Kcal/Kg C () Acciaio......0, Alluminio da 8 a 00...0,7 Alluminio da 8 a 500...0,37 Alluminio fuso......0,39 Amianto...0,95 Antimonio...0,050 Arenaria (pietra)......0,8 Argentana... 0,095 Argento da 8 a 00...0,056 Argento da 8 a 500...0,060 Argento fuso 96....0,075 Asfalto...0,3 Bismuto...0,03 Bronzo e ottone (in media)......0,09 Calce viva da 8 a 00...0,9 Lana......0,4 Lega di Wood.....0,04 Legno rovere (secc.mercant.)... 0,57 Legno abete.....0,65 Magnesio......0,5 Manganina...... 0,097 Mattoni..........0,8 Mercurio......0,033 Metallo Monel......0,7 Nichel...0,08 0ro...0,03 Pietra (in media)...0, Piombo...0,03 Piombo fuso 37...0,034 Platino da 0 a 00......0,03 Calce viva da 8 534...0, Calcestruzzo di pietrisco......0, Caolino...0,4 Carbone di legna;coke......0,0 Carbone fossile...0,3 Carta di cellulosa...0,3 Cemento Portland...0,77 Cenere (in media)...0,0 Costantana......0,098 Cotone e lana veg.(kapoc)......0,3 Ebanite......0,34 Farina fossile (kieselgur)...0, Ferro da 0 a 00...0,8 Ferro da 0 a 500...0,34 Ferro da 0 a 00...0,64 Gesso commerciale,stucco...0,0 Ghiaccio da 40 a 0...0,46 Ghiaccio a 0 ((_)...0,505 Ghisa...0,3 Grafite...0,0 Porcellana da 5 a 000......0,56 Rame da 8 a 00...0,093 Rame da 8 a 300...0,096 Rame fuso 083...0,56 Sabbia quarzosa......0,0 Scorie...0,8 Seta...0,3 Stagno...0,057 Stagno fuso a 3...0,06 Sughero...0,49 Terra (in media)......0,8 Terriccio fertile...0,44 Tufo (pietra)......0,33 Vetro (in media)......0,0 Zinco...0,094 Zinco fuso 49...0, Acetone...0,5 Acido acetico...0,5 Acido nitrico...0,65 () Kcal =4.86 Joule 40 )