156 CASSY Lab Conversione dell`energia elettrica in
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156 CASSY Lab Conversione dell'energia elettrica in energia termica Alternativamente: Carica esempio Norme di sicurezza Pericolo di esplosione: le pareti del vaso Dewar sono molto sottili ed essendo sotto vuoto, si possono rompere facilmente nel caso di una sollecitazione meccanica. Non urtare o non far cadere il vaso Dewar. Non far cadere oggetti solidi al suo interno. Non scalfire le pareti di vetro con oggetti taglienti. CASSY Lab 157 Descrizione dell'esperimento L'energia è una grandezza che dipende dal lavoro immagazzinato. Essa si manifesta sotto diverse forme convertibili una con l'altra. In un sistema chiuso, durante un processo di trasformazione, è valido il principio di conservazione dell'energia. Questo esperimento serve a dimostrare sperimentalmente l'equivalenza tra energia elettrica Eel ed energia termica Eth. L'energia elettrica Eel fornita viene convertita in energia termica Eth mediante una bobina (o spirale di riscaldamento). In questo modo si produce un aumento di temperatura all'interno del calorimetro (o dell'acqua nella quale è immersa la spirale di riscaldamento). Le due forme di energia si possono determinare misurando contemporaneamente la corrente I e la temperatura ϑ in funzione del tempo mantenendo costante la tensione U. Il valore numerico delle due forme di energia va espresso in wattsecondi (Ws) e in Joule; in questo modo, si può dimostrare sperimentalmente l'equivalenza: Eel = Eth. Elenco delle apparecchiature 1 Sensor-CASSY 1 CASSY Lab 524 010 524 200 1 1 o 1 1 Box temperatura Sensore di temperatura NiCr-Ni 524 045 666 193 Adattatore NiCr-Ni S Sensore di temperatura NiCr-Ni, tipo K 524 0673 529 676 1 Generatore di tensione, 0...12 V, per es. trasformatore S a bassa tensione 1 Calorimetro con cavi di collegamento, per es. calorimetro in rame con riscaldatore coppia di cavi di collegamento per calorimetro oppure calorimetro di alluminio con riscaldatore coppia di cavi di collegamento per calorimetro oppure calorimetro di alluminio grande con riscaldatore coppia di cavi di collegamento per calorimetro oppure Accessorio per calorimetro elettrico Vaso Dewar Becher piatto, vetro Duran, 250 ml Cilindro graduato di plastica, 250 ml Coppia di cavi, 50 cm, rosso e blu Cavo di collegamento, 50 cm, nero 1 Coppia di cavi, 50 cm, rosso ed blu 1 PC con Windows 95/98/NT o versioni successive 521 35 388 02 388 06 388 03 388 06 388 04 388 06 384 20 386 48 664 103 665 755 501 45 501 28 501 45 Montaggio dell'esperimento con il calorimetro (vedere figura) • Montare il calorimetro con i fori rivolti in alto e versare acqua nelle loro aperture. • Inserire la guarnizione nel foro e bloccarla con la vite di fissaggio. • Inserire il sensore di temperatura nell'apertura del calorimetro più in fondo possibile e stringere la vite di fissaggio. • Per la misura della corrente e della tensione, collegare la CASSY al trasformatore S a bassa tensione come mostrato in figura. • Collegare la bobina di riscaldamento del calorimetro all'ingresso A di Sensor-CASSY (mediante le spine a banana, collegare un cavo alla boccola blu e l'altro cavo alla boccola rossa). • Per misurare la temperatura ϑB11, collegare il sensore di temperatura all'ingresso B di Sensor CASSY con il box di temperatura (boccola T1). 158 CASSY Lab Montaggio dell'esperimento con l'accessorio del calorimetro elettrico (vedere figura) • Con il cilindro graduato, versare circa 200 ml di acqua nel vaso Dewar. • Mettere l'accessorio del calorimetro elettrico nel vaso Dewar e bloccare il coperchio con delle molle. • Attraverso il tappo di gomma, immergere il sensore di temperatura e la rondella di chiusura nel vaso Dewar. Il sensore di temperatura è sorretto dalla rondella di chiusura con la punta del sensore sotto la spirale di riscaldamento. La punta del sensore non deve toccare il fondo del vaso Dewar. • Per la misura della corrente e della tensione, collegare la CASSY al trasformatore S a bassa tensione come mostrato in figura. • Collegare le spirali del riscaldatore in serie all'ingresso A di Sensor-CASSY (mettere un cavo tra una spirale di riscaldamento e la boccola rossa, un altro cavo tra l'altra spirale di riscaldamento e il morsetto blu, collegare i morsetti liberi con il cavo nero). • Per misurare la temperatura ϑB11, collegare il sensore di temperatura all'ingresso B di Sensor CASSY con il box di temperatura (boccola T1). Nota sull'esperimento Quando si esegue l'esperimento con l'accessorio del calorimetro elettrico, dopo aver applicato tensione, mescolare l'acqua continuamente in modo da ottenere un riscaldamento uniforme. Durante la misura, spostare l'agitatore lentamente in alto e in basso. Esecuzione dell'esperimento Carica settaggi • Per eseguire la misura, selezionare la tensione UA1 in Settaggi IA1. • Chiudere il circuito di alimentazione del trasformatore S a bassa tensione ed applicare una tensione UA1 di circa 9 V (calorimetro) oppure circa 4 V (accessorio del calorimetro elettrico). • Leggere l'esatto valore di UA1 ed inserirlo come parametro in Settaggi U. • Aprire il circuito di alimentazione del trasformatore S a bassa tensione e, tramite Settaggi UA1, selezionare la corrente IA1 come grandezza da misurare e scegliere 0 .. 2.1 A come range • Avviare la misura con F9. • Quando la temperatura iniziale ϑB1 raggiunge un valore costante, chiudere il circuito di alimentazione del trasformatore S a bassa tensione ed aprirlo di nuovo quando la temperatura raggiunge il valore finale ϑB11. • Raggiunto il valore finale della temperatura, arrestare la misura con F9. Valutazione dei risultati Durante la misura vengono visualizzati graficamente i valori della temperatura ϑB11 e della corrente IA1 in funzione del tempo. Nel diagramma Valutazione dei risultati, viene tracciato il diagramma con l'andamento dell'energia termica Eth = C ⋅ (ϑB11 - ϑ1) in funzione dell'energia elettrica Eel = ∑ U⋅I⋅∆t. La capacità termica C va inserita in Settaggi C, il suo valore dipende dal calorimetro usato secondo questa tabella: Calorimetro Capacità termica C/(J/K) Rame (388 02) 264 + 4.2 (per 1 g di acqua) Alluminio (388 03) 188 + 4.2 (per 1 g di acqua) Alluminio, grande (388 04) 384 + 4.2 (per 1 g di acqua) Accessorio del calorimetro elettrico (384 20) Con vaso Dewar (386 48) (mH2O/g + 24) ⋅ 4.2 (con la massa dell'acqua in g e l'equivalente acqua mD = 24 g del vaso Dewar) L'equivalenza tra energia elettrica Eel ed energia termica Eth si può confermare interpolando i valori sperimentali con una retta per l'origine. Di solito, la pendenza di questa retta è leggermente minore di 1 a causa della dissipazione termica dovuta al calore irradiato. Questo si verifica in modo particolare quando la misura dura troppo a lungo e quindi i risultati possono essere abbastanza diversi dalla retta passante per l'origine. CASSY Lab 159 Avviso Come alternativa, è possibile eseguire manualmente la valutazione dei risultati: determinare il valore medio della temperatura iniziale ϑ1 e della temperatura finale ϑ2 (con il pulsante destro del mouse selezionare Traccia Valore Medio) e calcolare l'energia termica Eth = C ⋅ (ϑ2 - ϑ1). Con Misura della Differenza (Alt+D) determinare l'intervallo di tempo in cui viene fornita energia elettrica, calcolare Eel = U ⋅ I ⋅ ∆t e confrontare questo valore con Eth.
