Trasformazione del lavoro della forza di attrito in calore. L

Trasformazione del lavoro della forza di attrito in calore.
L’equivalente meccanico del calore
Premessa:
Molte esperienze dimostrano che un lavoro compiuto su un corpo accresce la temperatura di quest’ultimo. Si può
affermare che il calore può essere prodotto a spese di un lavoro di qualsiasi specie. Viceversa, in particolari
condizioni, è possibile ottenere lavoro fornendo calore ad un corpo. È quanto accade nel caso delle macchine
termiche. Tutto ciò porta a pensare all’esistenza di una equivalenza tra calore e lavoro, nel senso che calore e lavoro
sarebbero due aspetti diversi della stessa grandezza fisica: l’energia.
Il calore quindi è una forma di energia: joule e caloria sono perciò unità di misura della stessa grandezza fisica.
Esperimenti di vario tipo dimostrano che in una trasformazione il rapporto tra il lavoro compiuto e il calore prodotto è
L
= J . La costante J è detta equivalente meccanico del calore.
costante, cioè
∆Q
Scopo:
verificare la proporzionalità diretta tra lavoro della forza di attrito e calore acquistato da un calorimetro; determinare
l'equivalente meccanico del calore, confrontando il risultato sperimentale ottenuto con il valore previsto
Procedimento:
L’apparecchio è un calorimetro girevole attorno ad un asse orizzontale. Il
calorimetro, contenente una massa nota di acqua ed un termometro, è
parzialmente avvolto da una corda di nylon fissata da una parte e tenuta
tesa dall’altra parte da un peso P di massa nota e pari a 5 kg. Ponendo in
rotazione il calorimetro mediante una manovella, le forze di attrito radente
tra la corda e la parte esterna del calorimetro provocano un aumento di
temperatura rilevabile mediante il termometro. La velocità di rotazione deve
regolarsi in modo che il peso P venga a trovarsi in equilibrio, cioè in
condizioni tali che la forza di attrito, che tenderebbe a sollevare la corda,
risulti equilibrata dal peso P. Per mantenere il sistema in rotazione si
compie contro la forza di attrito un lavoro meccanico L e conseguentemente
nel calorimetro si sviluppa una quantità di calore ∆Q=C·∆T, dove C è la
capacità termica del dispositivo (calorimetro, termometro e acqua
contenuta). In condizioni di equilibrio dinamico la forza di attrito è uguale
alla forza peso (P=mg=5kg·9,8N/kg). Il lavoro L è quindi dato dalla relazione
L=m·g·n·d·π, dove n è il numero di giri fatto e d il diametro del cilindro.
Caratteristiche del calorimetro rotante in rame:
diametro:
capacità termica del calorimetro: 9,6 ± 0,1 cal/°C
capacità termica del termometro: 1,2 ± 0,1cal/°C
massa di acqua contenuta nel calorimetro:
capacità termica complessiva del dispositivo:
numero di giri
temperatura
(°C)
∆T=T-Tiniziale
(°C)
Lavoro
(joule)
∆Q
(caloria)
equivalente
meccanico della
caloria
(joule/caloria)
Ricopia sul tuo quaderno e completa la tabella. Traccia il grafico della variazione di temperatura in funzione del
numero di giri. Verifica (motivando) la proporzionalità prevista. Determina l’equivalente meccanico della caloria
(valore medio e incertezze) ottenuto dalle misure effettuate.
Il valore accettato di questo rapporto è pari a 4,186 joule/caloria : calcola la differenza percentuale tra il risultato
sperimentale ed il valore vero.
[La fisica nella vita quotidiana]
Sulle confezioni dei prodotti alimentari si possono leggere - tra le altre - informazioni nutrizionali di questo tipo:
valore energetico (valore medio per 100 g)
Biscotti
kcal 436
kJ 1831
Latte
kcal 64
kJ 267
...
Si tratta evidentemente della stessa grandezza fisica espressa in due unità di misura diverse: joule e caloria.
Anche da questi dati si può ricavare la relazione tra caloria e joule: per esempio, usando le informazioni sulla
confezione di biscotti, a quanti joule corrisponde una caloria?
Cerca le stesse informazioni anche su altri prodotti e individua da essi il rapporto tra joule e caloria (valore medio e
incertezze assoluta e percentuale) ed il confronto con il valore vero.