Legge fondamentale della termologia

Legge fondamentale della termologia
Scopo: determinare la potenza di un riscaldatore e cercare una relazione tra calore fornito, variazione di temperatura e
quantità di sostanza riscaldata.
Materiale: becher o altro contenitore per il liquido, cilindro graduato, riscaldatore elettrico, termometro, agitatore
(bacchetta di vetro), sostegno, cronometro
Procedimento: Fissare e annotare la massa di acqua da riscaldare. Misurare con il cilindro graduato la quantità d'acqua ed
introdurla nel becher. Introdurre nell'acqua la bacchetta per mescolare. Appendere il termometro al sostegno ed introdurlo
nel becher, facendo attenzione che il bulbo sia immerso nel liquido, ma non tocchi il fondo. Iniziare il riscaldamento e far
partire il cronometro quando la temperatura raggiunge un valore iniziale prefissato. Proseguire il riscaldamento, agitando
regolarmente per il tempo previsto oppure fino al raggiungimento della temperatura prevista (prima che l'evaporazione sia
evidente). Durante il riscaldamento, annotare tempo e temperatura. Prima di ripetere l'esperimento con quantità di acqua
diverse, svuotare il becher e raffreddarlo. Eseguire le misure con almeno 4-5 masse d'acqua diverse.
Elaborazione dei dati:
1. Riporta su un unico grafico i punti sperimentali ottenuti per le diverse quantità di acqua (masse). Sull'asse orizzontale
indica il tempo di riscaldamento e sull'asse verticale la variazione di temperatura ∆T. Traccia le rette che meglio
approssimano il riscaldamento delle varie quantità d'acqua (con cura, in quanto per l'elaborazione dei dati verranno
utilizzati questi grafici e non le tabelle)
2. Anzitutto occorre verificare se il riscaldatore fornisce (nel limite delle incertezze sperimentali) la stessa quantità di
calore in ciascun minuto e determinare (con l'incertezza) la potenza del riscaldatore.
Scegli un solo punto sulla retta (non necessariamente corrispondente ad un dato sperimentale) e determina la potenza
fornita dal riscaldatore in quel caso [esprimi la potenza in calorie/minuto]. Ripeti la stessa operazione per ciascuna delle
altre rette, individuando poi il valore medio e l'incertezza sulla potenza del riscaldatore.
3. Riprendi il grafico, tracciando sull'asse orizzontale una seconda scala in calorie (usa la potenza media del riscaldatore
determinata precedentemente ed usa valori appropriati!). Ora il grafico rappresenta la variazione di temperatura in funzione
del calore fornito.
4. Fissa un valore di calore, tracciando in corrispondenza del valore scelto una retta verticale che incrocia le varie rette di
riscaldamento. Che cosa indica ciascun punto di intersezione? Per ogni intersezione di questa retta verticale con le rette di
riscaldamento, raccogli in una tabella la massa e la variazione di temperatura. Trova la proporzionalità (eventualmente
tracciando un grafico) e completa la frase: A parità di calore fornito la variazione di temperatura è ... alla massa.
5. In modo analogo, fissa una variazione di temperatura. In questo caso la retta che interseca le rette di riscaldamento è
orizzontale: cosa indicano questi punti? Come prima, raccogli in una tabella massa e calore fornito a quella massa per
ottenere la variazione di temperatura scelta e cerca il tipo di proporzionalità, completando la frase: A parità di variazione
di temperatura il calore fornito è ... alla massa.
6. Un ultimo esperimento (non eseguito) mostra che fornendo la stessa quantità di calore a diverse sostanze, a parità di
massa, l'aumento di temperatura che si ottiene è diversa per le varie sostanze. Questa proprietà delle sostanze di riscaldarsi
in modo diverso è descritta quantitativamente da una proprietà detta calore specifico di quella sostanza. Ricerca la
definizione e il valore (nelle opportune unità di misura) per alcuni metalli. Ricopiale sul quaderno.
7. Tutte le conclusioni raggiunte nei punti 4, 5 e 6 possono essere riassunte in un'unica legge detta legge (o equazione)
fondamentale della termologia (o calorimetria): scrivine l'enunciato e la formula.
Applicazioni:
1. Quanto calore è necessario per portare la temperatura di 50 kg di acqua da 20°C a 60°C? Se il riscaldatore fornisce 25
kcal al minuto, quanto tempo impiega?
2. Ad una pallina di ferro di 15 g alla temperatura iniziale di 20 °C vengono fornite 125 cal. Qual è la temperatura finale?
3. Una pentola di alluminio con massa di 100 g contiene 4 kg di acqua. Se il sistema assorbe 20 kcal da una fonte di calore
esterna, determina la temperatura finale, sapendo che quella iniziale è di 10°C. Che errore si compie in questo caso se si
trascurasse il recipiente di alluminio?
4. Una tazzina di 0,25 kg alla temperatura ambiente di 22°C viene riempita con 250 ml di tè bollente. La tazzina ed il tè
raggiungono l’equilibrio termico a 80°C. Se non ci sono perdite di calore, quanto valgono la capacità termica ed il calore
specifico della tazzina? [Considera il tè come se fosse acqua]
5. Un riscaldatore da 700 cal/minuto è rimasto acceso per 5 minuti per portare da 22°C a 30°C la temperatura di una certa
massa di acqua, contenuta in un recipiente termicamente isolato. Quanta acqua era inizialmente contenuta nel recipiente?
Quale era la temperatura dell'acqua dopo due minuti dall'accensione del riscaldatore? Dopo quanto tempo inizierà
l'ebollizione?