CASSY Lab 153 Conversione dell`energia meccanica

CASSY Lab
153
Conversione dell'energia meccanica in energia termica
l'esperimento si può eseguire anche con Pocket-CASSY
Carica esempio
Norme di sicurezza
Verificare che la base di appoggio dell'apparecchio non venga danneggiata da una caduta imprevista
del peso di 5 kg.
Descrizione dell'esperimento
L'energia è una grandezza fisica di fondamentale importanza e si può convertire in modo equivalente da
una forma all'altra. In un sistema chiuso, durante un processo di trasformazione, è valido il principio di
conservazione dell'energia.
Questo esperimento serve a dimostrare sperimentalmente l'equivalenza tra energia meccanica Em ed
energia termica Eth. L'energia meccanica Em viene fornita azionando una manovella la cui rotazione
serve a vincere la forza di attrito. Questa azione provoca un aumento di temperatura del calorimetro e di
conseguenza anche un aumento dell'energia termica Eth. Le due forme di energia si possono determinare misurando l'aumento di temperatura ϑ e il numero di giri della manovella. Il valore numerico delle
due forme di energia va espresso in newtonmeter (Nm) e in Joule (J); in questo modo, si può dimostrare
sperimentalmente l'equivalenza: Em = Eth.
Elenco delle apparecchiature
1 Sensor-CASSY
1 CASSY Lab
1 Timer box o Timer S
524 010
524 200
524 034 o 524 074
1 Box temperatura
1 Sensore di temperatura NiCr-Ni
524 045
666 193
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CASSY Lab
o
1 Adattatore NiCr-Ni S
1 Sensore di temperatura NiCr-Ni, tipo K
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Barriera luminosa a forchetta, raggi infrarossi
Cavo di collegamento, 6 poli, 1.5 m
Apparecchio per l'equivalente termico
Calorimetro
per es.
calorimetro ad acqua
oppure
calorimetro di rame con riscaldatore
oppure
calorimetro di alluminio con riscaldatore
oppure
calorimetro grande di alluminio con riscaldatore
Morsetto da banco semplice
Base di appoggio a V, 20 cm
Asta di sostegno, 10 cm
Asta di sostegno, 25 cm
Morsetto con pinza
Peso, 5 kg
PC con Windows 95/98/NT
o versioni successive
524 0673
529 676
337 46
501 16
388 00
388 01
388 02
388 03
388 04
301 07
300 02
300 40
300 41
301 11
388 24
Montaggio dell'esperimento (vedere figura)
• Fissare l'apparecchio per l'equivalente termico ad un angolo del tavolo.
• Fissare il morsetto da banco al bordo del tavolo ad una distanza di circa 40 cm dalla base di appoggio in plastica dell'apparecchio per l'equivalente termico. Stringere il morsetto a pinza mediante
l'asta di sostegno da 25 cm in modo da fissare il sensore di temperatura come indicato in figura.
• Montare il calorimetro con i fori rivolti in alto e versare acqua nelle loro aperture.
• Inserire la guarnizione nel foro e bloccarla con la vite di fissaggio.
• Attaccare il calorimetro pieno d'acqua all'apparecchio per l'equivalente termico inserendo i perni
rivettati nelle boccole della base di appoggio; ruotare il calorimetro in modo da bloccare i perni nella
loro sede.
• Inserire il sensore di temperatura nell'apertura del calorimetro più in fondo possibile e stringere la vite
di fissaggio. Bloccare il sensore di temperatura come indicato in figura utilizzando il materiale di
fissaggio preparato precedentemente.
• Mettere il peso di 5 kg sotto il calorimetro.
• Avvolgere il filo di nylon circa 4 volte (6 al massimo) attorno al calorimetro ed attaccarlo al peso
appoggiato sul pavimento. Il peso deve rimanere appeso frontalmente rispetto alla manovella.
• Girare la manovella e controllare se il peso di 5 kg si solleva di qualche centimetro e poi tenerlo ad
un'altezza costante girando ancora la manovella. Se il peso si solleva troppo, diminuire il numero di
giri del filo di nylon; se non si solleva per niente, aumentare il numero di giri.
• Per misurare il numero di rotazioni nEA1 (=numero di oscuramenti), posizionare la barriera luminosa
a forchetta con la base di appoggio come indicato in figura e collegarla all'ingresso A di Sensor-CASSY con il timer box.
• Per misurare la temperatura ϑB11, collegare il sensore di temperatura all'ingresso B di Sensor-CASSY con il box di temperatura (boccola T1)
Esecuzione dell'esperimento
•
•
•
•
Carica settaggi
Da Settaggi nEA1, azzerare l'oscuramento cliccando su → 0 ←.
Avviare la misura con F9.
Girare la manovella e misurare l'aumento di temperatura in funzione del numero di rotazioni.
Raggiunta la temperatura desiderata ϑB11, arrestare la misura con F9.
CASSY Lab
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Valutazione dei risultati
Durante la misura viene visualizzato il valore della temperatura ϑB11 in funzione del numero di rotazioni nEA1. Nel diagramma Valutazione dei risultati, viene tracciato il diagramma con l'andamento
dell'energia termica in funzione dell'energia meccanica necessaria per vincere l'attrito tramite le rotazioni della manovella. L'energia meccanica Em è uguale al prodotto tra la forza di attrito e lo spostamento s:
Em = F⋅s
con F = m⋅g
F = forza di attrito
m = massa del peso = 5 kg
g = accelerazione di gravità = 9.81 m/s²
ed s = N⋅d⋅π
s = spostamento
N = numero di rotazioni
d = diametro del calorimetro = 0.047 m
L'energia meccanica è data da: Em = m⋅g⋅d⋅π⋅N.
L'aumento di energia termica dovuto all'aumento di temperatura è dato da:
Eth = C⋅(ϑ2 - ϑ1)
La capacità termica C va inserita in Settaggi C, il suo valore dipende dal calorimetro usato secondo
questa tabella:
Calorimetro
Capacità termica C/(J/K)
Acqua (388 01)
Rame (388 02)
Alluminio (388 03)
Alluminio, grande (388 04)
40 + mH2O/g ⋅ 4.2 (massa dell'acqua in g)
264 + 4,2 (per 1 g di acqua)
188 + 4,2 (per 1 g di acqua)
384 + 4,2 (per 1 g di acqua)
L'equivalenza tra energia meccanica Em ed energia termica Eth si può confermare interpolando i valori
sperimentali con una retta per l'origine. Di solito, la pendenza di questa retta è minore di 1. Questo
dipende dalla dissipazione termica la cui entità è difficile da quantificare come, ad esempio, il calore
dissipato attraverso la superficie di contatto del calorimetro con il filo di nylon o con la base di appoggio
in plastica.