DETERMINAZIONE DEL CALORE SPECIFICO
Il calorimetro delle mescolanze è lo strumento usato per determinare i calori specifici e i
calori latenti delle sostanze. Si tratta di un thermos con le pareti rivestire da un materiale
isolante in modo da rendere minima la dispersione di calore. Il coperchio ermetico è dotato di
due fori che consentono l’introduzione di un termometro e di un agitatore per uniformare la
temperatura del liquido contenuto all’interno.
Ogni calorimetro assorbe un po' di calore; per quanto sia piccola questa quantità, occorre tenerne
conto per ricavare una misura accurata.
MISURIAMO LA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO DI DUE UGUALI QUANTITA’ DI
ACQUA INIZIALMENTE A DIVERSA TEMPERATURA.
Nel calorimetro sia contenuta corpo di massa m1 ad una temperatura t1. Se mettiamo nel
calorimetro un secondo corpo di massa m2 ad una temperatura t2t1 dopo un certo tempo viene
raggiunta la temperatura di equilibrio te.
La quantità di calore ceduta dal secondo corpo m2 è:
Q2 c2 m2 (t2 te )
dove c2 è il calore specifico. In assenza di dispersioni Q2 dovrebbe essere uguale alla quantità di
calore assorbita dal primo corpo m1 avente calore specifico c1:
Q1 c1m1 (te t1 )
la temperatura di equilibrio sarà:
Q1 Q2
c1m1 t e t1 c2 m2 t 2 t e
te
c 2 m2 t 2 c1 m1t1
c 2 m2 c1 m1
Mescoliamo una massa di acqua m1 di 200 g alla temperatura ambiente t1=18 °C e una massa di
acqua m2 di 200 g alla temperatura t2 = 80 °C. Mettiamo le due quantità d'acqua nel calorimetro,
chiudiamo il coperchio, agitiamo con cura: la temperatura di equilibrio è di 47,5 °C.
Utilizziamo i medesimi dati sperimentali per verificare se l'equazione dell'equilibrio termico
fornisce lo stesso valore per la temperatura di equilibrio:
te
18 80
2
e risolvendo otteniamo tE = 49 °C.
IMPORTANTE CONSIDERAZIONE: La temperatura di equilibrio ottenuta sperimentalmente
(47,5°C) differisce dalla temperatura prevista teoricamente (49°C). La differenza è dovuta
all'assorbimento di una quantità di calore da parte del calorimetro. In realtà un calorimetro non è un
contenitore perfettamente ideale, perché, anche se è ben isolato verso l’esterno partecipa allo
scambio termico assorbendo una parte del calore in esso scambiato. Per calcolare questa quantità di
calore bisognerebbe conoscere il calore specifico del calorimetro. Poichè il calorimetro è formato da
numerose sostanze diverse, il calcolo sarebbe molto complesso.
Allora si ragiona così: il calorimetro viene assimilato a una massa di acqua che assorbe la sua
stessa quantità di calore. Si determina cioè la MASSA EQUIVALENTE del calorimetro. La
massa equivalente (me) è una proprietà caratteristica, che varia da strumento a strumento.
Per calcolare la massa equivalente del nostro calorimetro, che si trova anche esso a temperatura
ambiente, dobbiamo modificare l’equazione dell’equilibrio termico. La massa che assorbe calore
diventa quindi (m1 + me) e abbiamo:
(m1 + me) * ca * (te - t1) = m2* ca * (t2 -te)
Sostituiamo i dati sperimentali e otteniamo:
(200 + me)* (47,5 -18) = 200 * (80 -47,5)
da cui:
(200 + me) * (29,5) = 200 * (32,5)
e quindi:
200 + me = 200 * 32,5/ 29,5
me = (200* 32,5/29,5)-200
me = 20,3 g
Il nostro calorimetro assorbe la stessa quantità di calore che assorbirebbero circa 20 g di
acqua. Di questa quantità va tenuto conto in tutte le operazioni successive.
Possiamo ora procedere a calcolare il calore specifico di un solido. A tale scopo mettiamo nel
calorimetro una massa d'acqua m1 = 100 g e misuriamone la temperatura t1 = 20 °C. Prendiamo poi
il solido incognito e misuriamone la massa m2 = 120 g. Immergiamo il solido in un recipiente
contenente acqua in ebollizione, cioè alla temperatura di 100 °C.
Successivamente trasferiamo velocemente il solido nel calorimetro, chiudiamo il coperchio e
agitiamo con cura.
Dopo qualche tempo leggiamo sul termometro la temperatura di equilibrio, te = 26,8 °C.
I dati sono riassunti in tabella:
acqua
calorimetro
corpo solido
massa (g)
100
20,3 (massa equivalente)
120
temperatura (°C)
20
20
100
Ricordiamo che la massa equivalente del calorimetro è 20,3 g e che il calore specifico dell'acqua ca
è 1,00 cal/g oC. Possiamo ricorrere alla equazione dell'equilibrio termico modificata per tenere
conto della massa equivalente del calorimetro:
(m1+ me)* ca * (tE -t1 ) = m2 * cx * (t2 -te)
dove con cx indichiamo il calore specifico incognito. Sostituendo i dati sperimentali otteniamo:
(100 + 20,3) *1 * (26,8-20) = 120 * cx * (100 -26,8)
da cui
120,3* 6,8 = 120 *cx* 73,2
e quindi
818,04 = 8.784 * cx
da cui si ricava:
cx = 818,04/8.784 = 0,093 cal/g oC
Il valore trovato, confrontato con i valori della tabella dei calori specifici, ci dice che il nostro
oggetto è di rame.
Materiale necessario
12345678-
Un calorimetro delle mescolanze;
acqua;
un pentolino;
due termometri con sensibilità di almeno 0.5 °C per divisione;
un fornello elettrico o a gas;
oggetti di metallo: alluminio, ferro, ottone, zinco, rame;
cilindro graduato con sensibilità di 1 cm3/div;
bilancia.
Esecuzione dell’esperimento
Con il cilindro graduato versiamo nel
calorimetro un massa m1 di acqua tale da
riempire circa metà della sua capacità
(normalmente 200 g). Aspettiamo un paio di
minuti e leggiamo la temperatura dell’acqua t1.
Mettiamo acqua nel pentolino a metà della sua
capacità e scaldiamola sul fornello fino alla
temperatura di ebollizione. Immergiamo
nell’acqua bollente del pentolino il corpo
metallico la cui massa m2 è stata
precedentemente misurata con la bilancia.
Aspettiamo qualche minuto per permettere al
corpo di portarsi all’equilibrio termico con
l’acqua, ossia alla temperatura di 100 °C.
Leggiamo la temperatura dell’acqua bollente t2
nel pentolino e rapidamente spostiamo il corpo
metallico nel calorimetro servendosi di una pinza
metallica, evitando di versare acqua calda nel
calorimetro.
Con l’agitatore mescoliamo finché viene
raggiunto l’equilibrio termico e leggiamo la
temperatura di equilibrio te, che viene raggiunta
rapidamente.
Noto l’equivalente in acqua del calorimetro,
calcoliamo il valore del calore specifico cx del
metallo mediante la (2). Ripetiamo altre quattrocinque volte la misurazione di c1.
Determiniamo, procedendo nello stesso modo, il
calore specifico degli altri oggetti.
Tabella 52:calori specifici medi dei corpi solidi e liquidi (fra 0 °e 100 °C, salvo le
specifiche indicazioni) in Kcal/Kg °C (1)
Acciaio .................................................…...............0,12
Alluminio da 18 ° a 100 °.......................................0,217
Alluminio da 18 ° a 500 °.......................................0,237
Alluminio fuso.........................................…..........0,391
Amianto .................................................................0,195
Antimonio..............................................................0,050
Arenaria (pietra).......................................…...0,18
Argentana...........................................................…0,095
Argento da 18 ° a 100 °.........................................0,056
Argento da 18 ° a 500 °.........................................0,060
Argento fuso 961 °............................................….0,075
Asfalto....................................................................0,223
Bismuto...................................................................0,03
Bronzo e ottone (in media)............................…......0,09
Calce viva da 18 ° a 100 °.......................................0,19
Lana ................................................................…....0,41
Lega di Wood ...................................................…..0,04
Legno rovere (secc.mercant.)..........................……0,57
Legno abete......................................................…..0,65
Magnesio .............................…...............................0,25
Manganina.............................….........................…0,097
Mattoni ...................................….......….....….0,18
Mercurio...................................…..........................0,033
Metallo Monel ...................................…................0,127
Nichel ...................................................................0,108
0ro ........................................................................0,031
Pietra (in media)...................................................0,21
Piombo.................................................................0,031
Piombo fuso 327 °................................................0,034
Platino da 0 ° a 100 °.........................…...............0,032
Calce viva da 18 ° 534 °.......................................0,22
Calcestruzzo di pietrisco.....................…..............0,21
Caolino ................................................................0,224
Carbone di legna;coke.........................….............0,20
Carbone fossile ....................................................0,31
Carta di cellulosa..................................................0,32
Cemento Portland ................................................0,177
Cenere (in media).................................................0,20
Costantana .........................................…..............0,098
Cotone e lana veg.(kapoc)....................…............0,32
Ebanite ...................................................…..........0,34
Farina fossile (kieselgur).......................................0,212
Ferro da 0 ° a 100 °...............................................0,118
Ferro da 0 ° a 500 °...............................................0,134
Ferro da 0 ° a 1100 °............................................0,164
Gesso commerciale,stucco ..................................0,20
Ghiaccio da – 40 ° a 0 °........................................0,46
Ghiaccio a 0 ° ((_).................................................0,505
Ghisa ....................................................................0,13
Grafite...................................................................0,20
Porcellana da 15 ° a 1000 °......…........................0,256
Rame da 18 ° a 100 °...........................................0,093
Rame da 18 ° a 300 °...........................................0,096
Rame fuso 1083 °................................................0,156
Sabbia quarzosa .......................….......................0,20
Scorie....................................................................0,18
Seta.......................................................................0,32
Stagno...................................................................0,057
Stagno fuso a 232 °...............................................0,061
Sughero ................................................................0,49
Terra (in media).....................………...............0,18
Terriccio fertile ......................................................0,44
Tufo (pietra)............................................…...........0,33
Vetro (in media).......................................…..........0,20
Zinco ....................................................................0,094
Zinco fuso 419 °....................................................0,121
Acetone.................................................................0,52
Acido acetico ........................................................0,51
Acido nitrico ..........................................................0,65
(1)1 Kcal =4.186 Joule
–40 °)
