Liceo Scientifico

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Liceo Scientifico G. Pellecchia
Relazione di fisica
Determinazione dellequivalente meccanico del
calore mediante calorimetro rotante
Elaborata dagli alunni Cristiano Antonella, Del
Greco Claudia, Marandola Lidia, Merola Michele,
Pesce Debora, Serra Daniela, Vettraino Valentina
Classe 4 F Anno scolastico 2000/2001
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Determinazione dellequivalente meccanico del
calore mediante calorimetro rotante
OBIETTIVI
MATERIALE OCCORRENTE E SUE CARATTERISTICHE
ESPERIMENTO
ELABORAZIONE DEI DATI
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OBIETTIVI
Mediante un calorimetro di rame con
riscaldamento, lesperimento permette la
trasformazione di energia meccanica in calore in
modo da poter dimostrare sperimentalmente la loro
equivalenza numerica e dimensionale. Con un
ulteriore dimostrazione, ottenuta esprimendo il
calore in caloria si può verificare che il
rapporto L/Q è equivalente a 4,186 J/cal.
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MATERIALE OCCORRENTE E SUE CARATTERISTICHE
1. Corda di strofinio ( Nylon ) di
lunghezza 2,15 metri circa 2. Calorimetro di
rame ad acqua 3. Pesetto di massa 5 Kg 4.
Termometro
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ESPERIMENTO
Convenzionalmente possiamo suddividere
lesperimento in due fasi la fase iniziale che
prevede il montaggio dellapparecchio di base e
lesperimento vero e proprio. FASE
INIZIALE Abbiamo inserito la flangia
porta-calorimetro nel manicotto del supporto, e
in seguito abbiamo infilato la renella e avvitato
la manovella sul perno della flangia bloccando
questultima. Dopo aver svitato la vite di
serraggio del calorimetro abbiamo posizionato
questultimo con lapertura verso lalto e
labbiamo riempito con dellacqua. Posta la
guarnizione del termometro nel foro e avvitata la
vite di serraggio di un giro abbiamo infilato il
termometro e stretto la vite di serraggio facendo
attenzione a non avvitarla troppo per evitare
uneventuale rottura del termometro.
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(No Transcript)
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ESPERIMENTO Dopo aver fissato l apparecchio
base ad un angolo del tavolo in modo da poter
girare liberamente la manovella abbiamo inserito
il calorimetro, riempito con 65 grammi dacqua,
fissando nei fori del piatto, con una breve
rotazione della manovella, le due spine a
ribattino poste alla base del calorimetro e
abbiamo rilevato la temperatura dellacqua che
risulta essere 20,6C. Abbiamo avvolto la
cordicella due volte attorno alla superficie di
contatto, abbiamo agganciato il peso da 5 kg al
capo anteriore della cordicella e lasciato
penzolare a forma di anello laltro capo
provvisto di contrappeso fissandolo dietro al
contagiri.Girando la manovella il peso da 5 kg si
solleva e si mantiene poi alla stessa altezza a
causa dellattrito della cordicella.
(OSSERVAZIONI). Dopo aver fatto fare alla
manovella 200 giri abbiamo nuovamente misuratola
temperatura dellacqua che è passata a 25,1 C.
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OSSERVAZIONI
Precedentemente avevamo avvolto la cordicella più
di due volte ma, osservando che il peso veniva
sollevato troppo, abbiamo ridotto il numero di
avvolgimenti a due.
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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ELABORAZIONE DEI DATI
Dallaumento di temperatura si deduce facilmente
che il lavoro meccanico Wmec compiuto durante la
rotazione del calorimetro ha portato ad un
aumento dellenergia termica Q. Indicando
con Wmec lavoro meccanico F forza
dattrito m massa appesa (5 Kg) g
accelerazione di gravità (9,8 m/s2) s
percorso dattrito n numero di giri (200) d
diametro del calorimetro sulla superficie
dattrito (46,5 mm) d pi circonferenza sulla
superficie dattrito
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Siamo giunti al calcolo del lavoro
meccanico Wmec F
s
m g
n d pi
da cui
W mecc m g n d pi
Sostituendo i dati rilevati dall esperimento, il
risultato del lavoro meccanico è stato
W mecc 5Kg 9,81 m / s2 200 46,5 10-3
3,14 1432,36 J
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Indicando con
Q Qiniz aumento dell energia termica. C
capacità termica del calorimetro riempito. Ck
capacità termica del calorimetro vuoto ( 40
J/K). CH2O capacità termica dell acqua. cH2O
calore specifico dell acqua ( 4,186 J/ gr K
) mH2O massa dell acqua ( 65 gr ). Tfin
Tiniz differenza di temperatura. Tiniz
temperatura prima dell apporto
dellenergia. Tfin temperatura dopo lapporto
di energia.
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Per la determinazione del calore abbiamo
proceduto in questo modo Q fin Qiniz C ( T
fin T iniz )
Ck CH2O
m H2O c H2O
Svolgendo i calcoli con i dati dell esperimento
Q fin Q iniz Ck ( m H2O c H2O) ( T
fin T iniz ) 40 J/K ( 65 gr 4,186 J/
gr K ) (25,1 20,6 ) K 312,09 J/K
4,5 K 1404,41 J
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Q fin Q iniz Ck ( m H2O c H2O) ( T
fin T iniz )
1404,41 J
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Wmecc/ (Q fin Q iniz) 1432,36 J / 1404,41 J
1,0199.
Rapportando il lavoro meccanico al calore
vediamo che il loro rapporto è circa 1, quindi
possiamo concludere dicendo che la dispersione di
energia allesterno non ha influito sulla
trasformazione del lavoro in calore.
Riferendoci ora alla legge enunciata da Joule in
seguito al suo esperimento, nella quale il
rapporto tra il lavoro e il calore risulta uguale
a 4,186 J/cal, calcoliamo di nuovo la differenza
di calore trasformando i joule in caloria (
questa operazione si può effettuare dividendo i
joule per 4,186 J/cal). Q fin - Q iniz C (
T fin T iniz ) C K ( m H2O c H2O )
( T fin - T iniz ) (40 J/K) / (4,186 J /
cal ) ( 65 gr 1 cal / K gr) ( 25,1
20,6 )K ( 9,52 65 ) cal/ K ( 4,5 K )
74,52 cal / K 4,5 K 335,34 cal
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Il primo esperimento che confermò il principio
dellequivalenza fra lavoro e calore fu compiuto
da James Prescott Joule intorno al 1840,
utilizzando un dispositivo detto appunto
calorimetro di Joule.Esso consiste in un
mulinello, le cui palette ruotano, per effetto
della discesa di due masse M e m, allinterno di
un calorimetro pieno dacqua. Facendo
scendere più volte le masse, è possibile rilevare
un aumento della temperatura dellacqua. Il
lavoro compiuto sullacqua contenuta nel
calorimetro è dato da
L U K
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(No Transcript)
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Dove U e k sono rispettivamente lenergia
potenziale e lenergia cinetica delle due masse
m, che per effetto degli attriti scendono con
velocità costante v, per cui L E p
E c 2( mgh ) 2 (1/2 m v2 ) 2mgh - m
v2 Note la massa m, laltezza h dal piano e la
velocità v, è possibile calcolare il valore del
lavoro L. Inoltre, note la massa dacqua
contenuta nel calorimetro e la sua variazione di
temperatura, è possibile calcolare il calore Q.
Ripetendo più volte lesperimento Joule si
accorse che il rapporto tra L/ Q manteneva sempre
lo stesso valore. In seguito altri studiosi
ottennero risultati più precisi, ma giunsero alla
stessa conclusione di Joule in una
trasformazione ciclica, in cui lo stato finale
del sistema su cui operiamo sia uguale allo stato
iniziale, il rapporto tra il lavoro compiuto e il
calore prodotto è costante, cioè L/Q J (
equivalente meccanico del calore).
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Calcolato il calore in calorie effettuiamo il
rapporto tra il lavoro calcolato precedentemente
e tale calore W mecc / ( Q fin Q iniz )
(1432,36 J ) / ( 335,34 cal) 4,2 J / cal
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W mecc 5Kg 9,81 m s2 200 46,5 10-3
3,14 1432,36 J
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Per essa Joule calcolò inizialmente il valore di
4150 J/cal calcoli successivi stabilirono per
essa il valore di 4186 J/cal.
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Trattandosi di una differenza di temperatura, non
è necessario trasformare i gradi Celsius in gradi
Kelvin poiché le variazioni nelle due scale sono
le stesse