Prof.ssa Paola Luisa Albano
La combustione e il potere calorifico.
In questa esperienza, proposta ad una classe del biennio di scuola superiore, è previsto che i ragazzi
conoscano già il concetto di combustibile e comburente.
L’esperienza è collocata in un laboratorio di fisica. Per questo motivo si insiste su concetti
prettamente fisici e non chimici di calore
Il lavoro è previsto dopo che i ragazzi hanno affrontato l’argomento con il docente di scienze o in
sua compresenza.
Discipline coinvolte: Fisica, scienze
Obiettivi:
Saper calcolare il potere calorifico.
Saper individuare le caratteristiche calorifiche di alcune sostanze
Acquisire il concetto di energia
Acquisire il concetto di aggregazione della materia.
Prerequisiti:
Conoscere il concetto di combustibile e comburente
Conoscere il ruolo dell’ossigeno nella combustione
Conoscere il concetto di calore ed energia
Conoscere l’energia di legame.
Premessa.
La combustione è uno dei metodi maggiormente impiegati per produrre calore. Si tratta di una
reazione chimica in cui due reagenti, chiamati combustibile e comburente, si combinano per
produrre nuove sostanze. Come prodotto di questa reazione c’è anche una notevole quantità di
calore.
Quando si è avanzata l’ipotesi di calcolare il calore prodotto in una combustione si è aperta una
discussione per la scelta dei materiali da utilizzare. L’esperienza voleva affrontarsi con materiali
facilmente reperibili anche all’interno delle nostre case. Qualcuno voleva utilizzare un fornello ad
alcool, qualcun altro il gas di un fornello da campeggio,altri ancora una candela. Erano tutti
d’accordo che il calore generato sarebbe stato diverso e di qui è nata l’esigenza di quantizzarlo.
Esperienza “Calcolo del potere calorifico dell’alcool”.
Materiale occorrente:
100 ml (0.1 kg) di acqua e dell’alcool;
becher;
fornellino ad alcool;
termometro;
stoppino in canapa.
Descrizione dell’esperienza:
Pesiamo sulla bilancia il becher e indichiamo con m1 la sua massa.
Versiamo dell’acqua e misuriamo la massa di tutto il sistema indicandola con m2. La massa
dell’acqua sarà m2-m1.
Misuriamo la temperatura dell’acqua e indichiamola con t1.
Misuriamo il fornellino ad alcool.
Descrizione della prova: inizialmente è stato pesato il fornellino ad alcool su una
bilancia elettrica. Sono stati versati in un becher 100 ml d’acqua e poi è stata misurata
la temperatura dell’acqua stessa. In seguito abbiamo riscaldato i 100 ml d’acqua sul
fornellino ad alcool, finché non è stata raggiunta la temperatura di circa 50 °C.
Terminata questa operazione, è stato nuovamente pesato il fornellino ad alcool. La
differenza fra la massa iniziale dell’alcool e quella finale, rappresenta la quantità di
alcool consumato. Sono stati registrati tutti i dati, presenti nella tabella riportata di
seguito.
Tabella.
PROVA
mA = massa dell’acqua;
mA = 100 ml (0.1 kg)
mi AL = massa iniziale dell’alcool (prima della combustione);
mi AL = 163 g
mf AL = 162.5 g
0.5 g (0.0005 kg) =
mf AL = massa finale dell’alcool (dopo la combustione);
ti A = temperatura iniziale dell’acqua;
tf A = temperatura finale dell’acqua;
alcool consumato
∆t A = variazione di temperatura dell’acqua;
ti A = 18.8 °C
Q = calore prodotto dalla combustione;
tf A = 48 °C
P = potere calorifico.
∆t A = 29.2 °C
Q = 2.92 Cal
P = 5840 Cal/kg
Per calcolare il potere calorifico dell’alcool abbiamo utilizzato questa formula:
P = Q/mAL
Il simbolo mAL indica la massa dell’alcool consumato. Come si vede dalla formula, per
calcolare il potere calorifico è necessario conoscere anche il calore Q. Per calcolarlo
bisogna utilizzare la seguente formula:
Q = mA ∙ cA ∙ ∆t A
Il simbolo cA indica il calore specifico dell’acqua (4186 J/kg ∙ K).
Potere calorifico della candela
Materiale occorrente
candela
becher da 400 ml
supporto per candela
termometro
treppiede con reticella
frangifiamma
bilancia
Accendiamo la candela e poniamola sotto il becher dopo aver preventivamente disposto il supporto
con il frangifiamma. Inseriamo nell’acqua il termometro sostenendolo per non toccare il fondo del
recipiente. Quando la temperatura è aumentata di 20°C spegniamo la candela.
La temperatura è aumentata di 20°C. Da chi ha acquistato calore l’acqua?
Il calore assorbito dall’acqua equivale a quello prodotto dalla combustione della candela
Q m c t
Dati:
massa becker
massa candela
inizio
massa becher + acqua massa acqua
49,4
101,4
massa candela finale
variazione massa candela
56,4
55,89
temperatura iniziale temperatura finale
22
52
0,51
variazione di temperatura
42
20
Dove ∆t è l’intervallo di temperatura, c il calore specifico dell’acqua (4186J/K), m la massa
dell’acqua
E’ possibile sapere 1 gr di candela quanto calore ha ceduto? Puoi cioè calcolare il potere calorifico?
I calcoli effettuati sono i seguenti
Q=4186J/(kg K)*0,52kg*293K=637778J
Qced
q
da un grammo di candela
m5
Pot cal=637778/0,51=1250546 J/kg=1,2 106J/kg
Il calore ceduto dalla candela è lo stesso di quello acquistato dall’acqua? L’energia interna
acquistata dall’acqua è utilizza tutta per aumentarne la temperatura.
Gli alunni considerano che in parte è andata dispersa nell’ambiente. In parte è stata assorbita dal
becher e in parte è servita per rompere l’energia dei legami.
Alcuni alunni ritengono che, consumandosi la candela, la fiamma si sia abbassata e pertanto il
calore ceduto non sia stato costante.
Alcuni alunni ritengono che questo problema intervenga solo nella durata di tempo per il
riscaldamento, ma non interviene a modificare l’esperienza.
A tale scopo abbiamo tagliato la candela e effettuato le misurazioni che hanno effettivamente
procurato una attesa maggiore per il raggiungimento della temperatura, ma non sono stati inficiati i
valori.
Una alunna focalizza la sua attenzione sulle gocce di paraffina che scivolano lungo la candela. Ma
sono tutti in accordo che si tratta di un passaggio di stato da solido a liquido. Di che cosa è fatta la
candela? Sicuramente di idrogeno, il quale combinandosi con l’ossigeno dell’aria produce acqua.
L’esperimento ha messo in luce la presenza di acqua in seguito alla combustione.
Oltre alla candela quali altri combustibili conosci? Alcol e benzina ad esempio bruciano perché
sono fatti di composti chimici simili a quelli presenti nella candela? Il legno e la carta sono fatti
anch’essi dello stesso materiale?
Parlando di potere calorifico i ragazzi si sono chiesti se vi fosse una connessione con le calorie che
abitualmente si ingeriscono con gli alimenti.
Inizialmente sono tutti perplessi e ritengono che non vi sia nessun nesso. Questo perché una candela
o dell’alcool non sono alimenti e pertanto non è possibile fare un paragone.
Si fa osservare che la candela fornisce energia e che gli alimenti danno energia al nostro corpo e ci
consente di compiere lavoro. Una alunna osserva che anche nel nostro corpo avvengono
continuamente processi di combustione tra le sostanze nutritive e l’ossigeno dell’aria, trasportato
nei tessuti dall’emoglobina del sangue. Il carbonio e l’idrogeno contenuti negli alimenti, reagendo
con l’ossigeno che respiriamo, rendono disponibile l’energia per le funzioni vitali.
Il potere calorifico si misura in J/Kg quindi è energia prodotta dalla combustione dall’unità di
massa. Anche gli organismi viventi sopravvivono grazie all’energia generata dalla combustione
degli alimenti.
Dopo essere stati incoraggiati i ragazzi sono stati invitati a verificare provando a far generare
calore da una sostanza commestibile.
E’ stato chiesto loro se, quando praticano dello sport, i loro insegnanti suggeriscono di ingerire
qualche particolare alimento. Senza ombra di dubbio quasi tutti hanno riconosciuto nello zucchero
la sostanza maggiormente consigliata perché ritenuta un buon fornitore di energia per il corpo
umano.
Ci siamo dunque procurati alcune zollette di zucchero.
E’ stato chiesto ai ragazzi di trovare un modo per accendere le zollette. Qualcuno ha tentato di
estrarre lo stoppino da una candela e di inserirlo nello zucchero, altri hanno tentato di costruire uno
innesco con della carta, ancora abbiamo provato con della cenere di sigaretta, ma il metodo più
efficace è stato quello di innescare con un batuffolo di ovatta e alcool. Avviciniamo quindi una
fiamma e osserviamo lo zucchero bruciare anche dopo che si è allontanata la fiamma che è servita
dainnesco.
massa iniziale acqua
massa zucchero iniziale
temperatura iniziale
92,1
massa zucchero finale variazione massa zucchero
334,4
327,2
7,2
temperatura finale
variazione di temperatura
22,2
30
7,8
Q= 4186 J/kgK*280,8 K*0,921kg=1082569 J
Pot cal=1082569 J/0,72 kg=1503569J/kg=1,5 106J/kg.
Gli alunni al termine dell’esperienza si sono mostrati interessati e hanno proposto di bruciare altre
sostanze alimentari per creare una tabella delle calorie. Con l’insegnante di scienze hanno quindi
proceduto alla stesura di una dieta equilibrata e adatta a dei ragazzi di quindici anni.
Si propone ora una esperienza da far realizzare ai ragazzi.
Progettazione:
Obiettivo:
correlare la combustione dei materiali organici con la respirazione dell’uomo, mediante
l’esame delle analogie e delle differenze dei due processi
comprendere che durante la germinazione si produce CO2
individuare affinità fra combustione e respirazione
Materiale occorrente:
Acqua di calce, semi di fagioli germinati, semi di fagioli non germinati
Tre barattoli di vetro con tappo
Bicchierini di carta
Cannuccia di bibite
Esecuzione:
Numerare i barattoli e introdurre nel primo solo acqua di calce. Nel secondo acqua di calce e il
bicchierino con i semi non germogliati. Nel terzo acqua di calce con i semi germogliati. Tappare i
barattoli ed osservare. Prendere ora un bicchiere con acqua di calce e tramite una cannuccia
soffiarvi all’interno.
Domande: perché l’acqua di calce nel terzo barattolo si è intorbidita?
Qual è la reazione chimica che determina l’intorbidamento dell’acqua? Nella respirazione qual’ è il
combustibile?
Prova di verifica.
1) dopo aver mangiato 120 g di riso un uomo sistema in una legnaia una catasta di legna del
peso di 500kg posizionandola su di una mensola sollevata di 1,5m da terra. Calcola la
variazione dell’energia interna dell’uomo, considerando, che nello stesso periodo (3h)
l’uomo ha un fabbisogno energetico metabolismo di 1,6 106J.
2) Spiega alla luce del primo principio della termodinamica, perché gli organismi viventi per
vivere devono nutrirsi.
3) Anna prepara il tè per le sue amiche. Riscalda sul fornello a gas 1 l d’acqua dalla
temperatura di 24 °C a quella di 100 °C. Il potere calorifico del gas della rete cittadina è 1,7
107J/m3. Ricorda che la densità dell’acqua vale 1000 kg/m3. Quanto gas deve bruciare Anna
per preparare il tè?
.
