Calorimetria - appunti

Materie:	Appunti
Categoria:	Fisica
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Data:	08.04.2000
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CALORIMETRIA
Parte della fisica che si occupa del calore ==> trasferimento di energia tra due corpi che si trovano
inizialmente a temperature diverse (en. in transito)
si misura in Joule (J). Ma si utilizza anche:
• caloria (cal) = corrisponde alla quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un g di acqua distillata di un grado e precisamente da 14,5°C a 15,5°C
• chilocaloria (Kcal) = 1000 cal
L’energia che un corpo assorbe sotto forma di calore rimane dentro il corpo e va ad aumentare la sua energia interna.
Non è obbligatorio mettere a contatto due corpi per poterne riscaldare uno. Per esempio è sufficiente mescolare l’acqua per riscaldarla. Questa ipotesi è confermata da un esperimento:
L’acqua contenuta in un l’acqua. Infatti mentre
thermos viene mescolata scendono, i pesi met-
da un sistema di palette tono in rotazione le
che sono messe in rota- palette che mescolano
zione dalla caduta di due l’acqua contenuta nel
pesi all’esterno del reci- thermos. La velocità
piente. Lasciando scen- delle molecole cresce
dere diverse volte i pesi così l’acqua si scalda.
si calcola quanto lavoro L’aumento di tempe-
compie la forza di gravi- ratura è stato causato
tà per mantenere in rota- dal lavoro compiuto
zione le palette dentro dalla forza di gravità
Dall’esperimento risulta che per innalzare di 1°C la temperatura di 1 kg di acqua occorrono 4186 joule
LA CAPACITA’ TERMICA E IL CALORE SPECIFICO
Conosco la massa m e la variazione di temperatura Ct; voglio trovare la quantità di calore Q.

è direttamente proporzionale alla massa e alla variazione di temperatura
Oltre a questo devo tenere conto anche del tipo di sostanza che utilizzo; devo tenere conto quindi del calore specifico della sostanza ( c ).
A questo punto è facile definire la legge fondamentale della calorimetria:
Q = c m Qt

CHE COS’E’ IL CALORE SPECIFICO?
m = 1g Q = c m Qt
tt = 1°C Q = c
Q
il calore specifico è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1°C 1g di quella determinata sostanza. In parole più povere è il numero di calorie che il corpo ha.
Il calore specifico dell’acqua è 1 cal/g°C
Il calore specifico si misura in
Q cal
c = --------- ==> --------- ==> in cgs
m t g°C

J
-------- ==> in S.I.
kg °K
e si misura col calorimetro
IL CALORIMETRO
la paletta serve per agitare
l’acqua perché il calore si dif-
fonda bene.
Nell’acqua è stato immerso
un blocco di metallo a tem-
peratura maggiore (200°C)
di quella dell’acqua (10°C)
La paletta serve per agitare bene l’acqua affinché il calore si diffonda bene. Infatti il blocco cede il suo calore all’acqua finché non si raggiunge l’equilibrio termico
Qceduto = Qacquistato
c? m (te - ti) = cH20 mH2O (te - ti)
si deve considerare il valore assoluto della differenza (Qced deve essere uguale a Qacq)
m = lo conosco
mH2O = lo conosco
te = lo conosco (temperatura di equilibrio)
ti = lo conosco (temperatura iniziale)
Quando però non abbiamo a disposizione 1 g di sostanza è più utile conoscere la capacità termica della sostanza.
Q = c m Qt
Q = c m
C = c m

la capacità termica è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1°C la massa della sostanza
La capacità termica si misura in:
Q cal
C = --------- ==> --------- ==> in cgs
t °C

J
-------- ==> in S.I.
°K
LE SORGENTI DI CALORE
E’ una sorgente di calore un corpo che è in grado si acquistare o cedere quantità di calore senza che la sua temperatura subisca variazioni.
Q = c m Qt
Q
t = -------
c m
Q
0 = --------
c m
m deve essere grandissimo, perché qualsiasi calore specifico è molto piccolo. Deve essere grande come il sole o un’enorme massa d’acqua.
In natura le sorgenti di calore sono:
• la combustione (processo chimico).
• Quando il carbone brucia gli atomi di carbonio si combinano con le molecole di ossigeno per dar luogo a molecole di anidride carbonica
C + 02 ==> CO2
• Occorre inoltre fornire una piccola quantità di energia in modo da separare i due atomi che sono strettamente legati nella molecola di ossigeno
• Una volta liberi i due atomi si ossigeno sono attratti dall’atomo di carbonio e unendosi ad esso liberano energia sotto forma di energia cinetica della molecola di anidride carbonica.
• Una parte di questa energia viene utilizzata per scindere altre molecole di ossigeno e favorire così la creazione di nuove molecole di anidride carbonica
• Il resto viene ceduto all’ambiente come calore. Questo è uguale alla differenza tra l’energia interna del sistema iniziale (atomo di carbonio + molecola di ossigeno) e l’energia interna del sistema finale (molecola di anidride carbonica)
• il sole
IL POTERE CALORIFICO
• Misura quanto calore produce la combustione completa di una massa unitaria di combustibile.
• La formula per ricavare il potere calorifico è:
Q
P = -------
m
• Si misura in joule/kg per i solidi e i liquidi; in joule/mc per i gas.
LA PROPAGAZIONE DEL CALORE
Indica come il calore è propagato; avviene con tre diversi meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento.
LA CONDUZIONE
L’estremità della sbarra non L’energia cinetica
riscaldata dopo un po’ di media di tutte le
tempo comincia a scottare. molecole aumenta,
Le rapide vibrazioni degli innalzando così la
atomi della sbarra che si temperatura della
trovano vicino al fuoco sbarra.
trasmettono mediante gli
urti agli atomi più lontani.
• Ogni sostanza conduce il calore in modo più o meno efficiente. Si va dai buoni conduttori di calore (metalli) agli isolanti termici, che offrono una notevole resistenza al passaggio di calore (legno e vetro).
• La conduzione dipende direttamente da:
• tipo di materiale (conducibilità termica)
• tempo
• superficie (più è grande e più c’è conduzione)
Inversamente dallo spessore
• Il coefficiente di conducibilità termica è una grandezza che caratterizza la capacità di una sostanza di condurre calore. Si misura in watt/m°C
LA CONVENZIONE
Mettendo un recipiente
pieno d’acqua su una fiamma,
si creano al suo interno dei
moti convettivi, che
trasportano verso l’alto le
molecole “calde” e verso il
basso le molecole “fredde”
L’IRRAGGIAMENTO
Nei processi di conduzione e di convenzione del calore è indispensabile la presenza di materia. Ma il calore si propaga anche nel vuoto.
L’energia che dal Sole arriva sulla Terra viaggia attraverso lo spazio interplanetario, che è quasi del tutto privo di materia.