Calore e temperatura documento PDF

- Laboratorio aperto –
Cecilia Magni, Delia Noferi
Calore e temperatura
Dilatazione di solidi e liquidi
• Riscaldando una sbarretta metallica possiamo evidenziare il suo
allungamento con uno strumento chiamato dilatometro in cui
un’estremità della sbarra allungandosi fa ruotare un indice che così ci
indica su una scala il corrispondente allungamento dell’asta.
Mettendo aste di materiali diversi e fornendo la stessa quantità di
calore, cioè accendendo i due fornellini ad alcool sotto l’asta per la
stessa durata di tempo, vediamo che si ottengono allungamenti
diversi.
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• Prendiamo una sferetta metallica e verifichiamo che passa attraverso
un anello.
Riscaldiamo la sferetta e proviamo di nuovo a farla passare attraverso
l’anello…
Quando la sferetta si raffredda…
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• Prendiamo tre provette uguali e versiamoci alcool, olio e acqua in
modo che siano allo stesso livello.
Riscaldiamo i tre liquidi immergendo le provette in un recipiente con
acqua posto su una piastra elettrica e osserviamo il livello dei tre
liquidi…
Cosa possiamo concludere?
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Ghiaccio che fonde…e acqua che bolle
Prendiamo del ghiaccio in un recipiente di vetro, mettiamolo su una piastra
elettrica per fornigli calore e inseriamo nel ghiaccio una sonda che rileverà
la temperatura ad intervalli di tempo regolari (la sonda è collegata ad un
computer che, tramite un programma, visualizza l’andamento della
temperatura al passare del tempo).
Quando il ghiaccio sta fondendo la sonda indica il valore di 0 °C e la
temperatura rimane costante finché tutto il ghiaccio non si è sciolto.
Se continuiamo a tenere il recipiente sulla piastra elettrica, e quindi
continuiamo a dare calore, la temperatura ricomincia a salire fino ad
arrivare a 100 °C, temperatura alla quale l’acqua comincerà a bollire.
Osserviamo che durante l’ebollizione la temperatura rimane a 100 °C.
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Ma l’acqua bolle sempre a 100 °C ?
Prendiamo un recipiente con dell’acqua, poniamolo sopra ad un fornellino
e inseriamo un termometro per controllare la temperatura dell’acqua.
Mettiamo il recipiente sotto ad una campana di vetro e con una pompa
togliamo l’aria.
Ad un certo punto l’acqua comincerà a bollire ma ad una temperatura …
inferiore a 100 °C!
Spiegazione
I passaggi di stato sono influenzati dalla pressione esterna e togliendo
l’aria abbiamo diminuito la pressione esterna: basta allora raggiungere una
temperatura minore perché la pressione contenuta nelle bolle di vapore
acqueo sia uguale a quella esterna e, arrivate in superficie, comincino a
scoppiare e quindi l’acqua cominci… a “bollire”!
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Attività n°1: costruiamo un termometro ad alcool
Prendiamo un tubo capillare contenente alcool.
Immergiamo il suo bulbo nel ghiaccio che sta fondendo e segniamo con un
pennarello 0 °C in corrispondenza del livello dell’alcool.
Immergiamolo poi nell’acqua bollente e segniamo 100 °C in
corrispondenza del livello raggiunto dall’alcool.
Dividiamo infine l’intervallo tra i due segni in 100 parti uguali (con l’uso
di carta millimetrata attaccata al tubicino): abbiamo costruito il nostro
termometro ad alcool!
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Il calore specifico
Quando diamo calore ad un corpo (solido o liquido) vediamo che la sua
temperatura aumenta (se non sta avvenendo un passaggio di stato!) e
quando togliamo calore (mettendolo a contatto per esempio con un corpo
più freddo) la sua temperatura diminuisce.
Però a seconda della sostanza di cui è costituito il corpo, fornendo o
sottraendo la stessa quantità di calore, si ottengono variazioni di
temperatura diverse.
Chiamiamo calore specifico di un corpo la quantità di calore che 1
grammo del corpo deve assorbire o cedere per variare la sua temperatura
di 1 °C.
Per misurare la quantità di calore utilizziamo la caloria, simbolo cal,
definita come la quantità di calore che dobbiamo dare ad 1 grammo di
acqua per aumentare la sua temperatura di 1 °C.
Di conseguenza il calore specifico dell’acqua è 1 cal/g°C.
Se invece, per esempio, una certa sostanza ha calore specifico di 0,5
cal/g°C significa che per far innalzare di 1 °C la temperatura di 1 grammo
di quella sostanza occorrono 0,5 cal.
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Attività n°2: un thermos per fare... esperimenti
Per studiare gli scambi di calore tra corpi si usa il calorimetro, una specie
di thermos nel cui tappo è inserito un termometro.
Se per esempio mettiamo nel calorimetro due quantità di acqua a
temperatura diversa ci sarà uno scambio di calore tra le due masse di acqua
senza che il calore venga disperso nell’ambiente esterno fino a che non si
raggiunge una temperatura intermedia detta temperatura di equilibrio e che
viene letta grazie al termometro inserito nel calorimetro.
• Mettiamo nel calorimetro 400 g di acqua a 20 °C e 400 g di acqua a
60 °C: leggiamo dopo qualche minuto la temperatura di equilibrio
che dovrebbe essere circa 40 °C.
Ricordiamo che 1 grammo di acqua per aumentare (o abbassare) la
sua temperatura di 1 °C deve assorbire ( o cedere) 1 caloria (simbolo
cal).
Quindi i 400 grammi di acqua calda, che sono passati da 60 °C a 40
°C hanno ceduto 400 ⋅ 20 = 8000 cal mentre i 400 grammi di acqua
fredda, che sono passati da 20 °C a 40 °C, hanno
assorbito 400 ⋅ 20 = 8000 cal: possiamo concludere che il calore ceduto
dall’acqua calda è stato assorbito dall’acqua fredda.
• Se invece mettiamo nel calorimetro 400 g di alcool a 20 °C e 400g di
acqua a 50 °C avremo una temperatura finale di…
Cosa si può concludere?
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Nota:
La temperatura finale sarà di circa 40 °C: il calore ceduto dall’acqua è
400 ⋅ 10 = 4000 cal ed è uguale al calore assorbito dall’alcool.
Quindi 1 grammo di alcool ha assorbito 10 calorie per aumentare la sua
temperatura di 20 °C, cioè 1 grammo di alcool per aumentare la
temperatura di 1 °C deve assorbire solo 0,5 cal.
Abbiamo quindi trovato che il calore specifico dell’alcool è 0,5 cal/g°C.
Il calore “latente”di fusione del ghiaccio
Con il calorimetro possiamo anche determinare quante calorie deve
assorbire 1 grammo di ghiaccio a 0 °C per fondere.
Prendiamo dei cubetti di ghiaccio e lasciamoli in una bacinella per un
certo tempo in modo che comincino a sciogliersi: sappiamo che a
questo punto la temperatura del ghiaccio sarà 0 °C.
Riscaldiamo 200 g di acqua fino a 80 °C e versiamola nel calorimetro,
pesiamo 200g di cubetti di ghiaccio e versiamoli nel calorimetro.
Mescoliamo finché tutto il ghiaccio non si sarà sciolto e misuriamo la
temperatura dell’acqua: troveremo che è circa 0 °C.
Quindi l’acqua raffreddandosi da 80 °C a 0 °C ha ceduto
200 ⋅ 80 = 1600cal
che sono state assorbite dai cubetti di ghiaccio.
Se 1600 calorie hanno fatto fondere 200 g di ghiaccio a 0 °C questo
significa che occorrono 80 calorie la fusione di 1 grammo: si dice che il
calore “latente” di fusione del ghiaccio (si chiama latente perché è un
calore che si nasconde, nel senso che non si manifesta come aumento di
temperatura) è 80 cal .
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