Determinazione del calore specifico di un solido

ESTENSIONE ON LINE
Determinazione del calore specifico di un solido
Materiale occorrente:
• un calorimetro;
• una piastra riscaldante o becco Bunsen;
• una rete spargi fiamma;
• una bilancia tecnica (sensibilità 0,01 g);
• uno spago;
• una pinza di legno;
• un becher da 250 ml.
Pericoli:
• i pericoli nell’esecuzione dell’esperienza sono le fonti di calore e la vetreria, che se si
rompe diventa tagliente;
• non vi sono sostanze pericolose nell’esecuzione dell’esperienza.
Principio
I calori specifici si misurano a volume costante (CV) o a pressione costante (CP).
Per i solidi però la differenza tra calore specifico a volume costante (CV) e calore specifico a pressione costante (CP) è trascurabile.
Perciò si può affermare che:
CV ≈ CP
e il calore specifico si può indicare direttamente con C.
La regola di Dulong e Petit afferma che per gli elementi allo stato solido il calore
specifico molare è pressoché costante e vale approssimativamente 3R, dove R è la
costante universale dei gas (R = 1,987 cal/mole • °K).
Il calore specifico molare (CM) di un metallo è dato dal prodotto del calore specifico C
(CV ≈ CP) per la massa atomica (MA) dello stesso metallo:
CM = C • MA
Il calore specifico molare si misura in calorie su mole per grado Kelvin:
cal
• °K
mol
Metodica
Si pesano con una bilancia tecnica in un becher 200 g di acqua distillata (mH2O) e si
introducono nel calorimetro.
Si chiude il calorimetro con il coperchio nel quale sono inseriti il termometro (sensibilità 0,1 °C) e l’agitatore.
Si registra poi la temperatura dell’acqua fino a che non è costante (t1).
Nel frattempo si pesa la massa (m2) di un solido metallico (lamine, sfere o cilindri di
ferro, di rame, di alluminio ecc.).
Successivamente si introducono in un becher circa 200 ml di acqua e, legato con uno
spago, il corpo metallico con massa m2.
Si pone il becher su una piastra riscaldante e si porta l’acqua all’ebollizione.
Si mantiene l’acqua all’ebollizione per 5 minuti in maniera tale da equilibrare la temperatura del solido metallico con quella dell’acqua all’ebollizione.
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ESTENSIONE ON LINE
A questo punto si misura col termometro al decimo di grado la temperatura dell’acqua (t2) e si registra il dato sul quaderno di laboratorio.
Si solleva, tirandolo con lo spago, il corpo metallico con temperatura t2 e lo si immerge rapidamente nell’acqua presente nel calorimetro a temperatura t1.
Si mescola lentamente con l’agitatore e si misura continuamente la temperatura fino
a che non è costante.
Si riporta il valore della temperatura di equilibrio (te) sul quaderno e si eseguono i calcoli.
Calcoli
Eguagliando il calore dell’acqua del calorimetro con massa m1 con il calore del corpo
metallico con massa m2 si ottiene la seguente relazione:
CPH2O • (mH2O + me) • (te – t1) = CPcorpo • mcorpo • (t2 – te)
Dove CPH2O è il calore specifico a pressione costante dell’acqua (CPH2O = 1cal / g • °C),
me è l’equivalente in acqua del calorimetro e CPcorpo è il calore specifico del corpo che
si ricava dalla seguente relazione:
CPcorpo =
(mH2O + me ) • ( t e − t1 ) • CPcorpo
mcorpo • ( t 2 − t 1 )
Ricordiamo che il calore specifico così trovato si riferisce a 1 grammo di metallo; si
trasforma questo dato in calore specifico molare con la seguente relazione:
CM = CPcorpo • MA
Dove MA è la massa atomica del metallo.
IMPORTANTE:
La scala Kelvin e la scala Celsius sono sfasate di 273,15 gradi ma hanno lo stesso
scarto:
l’aumento o la diminuzione di 1 grado Kelvin corrisponde all’aumento o alla
diminuzione di 1 grado Celsius.
Così la variazione di temperatura è uguale sia esprimendo le temperature in gradi
Celsius (Δt) che in gradi Kelvin (ΔT):
Δt = 100°C – 0°C = 100°C
ΔT = 373,15°K – 273,15°K = 100°K
Tabella 1 Masse atomiche e calori
specifici molari di alcuni elementi
metallici
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Metallo
MA (g/mole)
CM (cal/mole•°K)
Al
26,982
5,820
Ag
107,868
6,019
Bi
208,980
6,150
Au
196,967
6,110
Pb
207,200
6,320
Cu
63,546
5,850
Zn
65,380
6,030
Fe
55,847
6,360
Sn
118,710
6,760