Ciao a tutti, in questa lezione ci dedichiamo a comprendere il concetto di temperatura di equilibrio, a vedere come funziona il calorimetro e a capire come possiamo determinare il calore specifico di una certa sostanza utilizzando il calorimetro stesso. Ci dedicheremo anche a capire come poter calcolare la temperatura di equilibrio utilizzando una formula che ricaveremo tramite il concetto di passaggio di calore. Prima di riepilogare in questa descrizione i vari argomenti che tratteremo nella lezione, ti mostro sinteticamente cosa contiene questo PACCHETTO 1) due LEZIONI DI TEORIA sull’argomento trattato 2) tre PDF TEORIA scritti da me seguendo le lezioni fatte (potrai utilizzare questo PDF per prendere i tuoi appunti ed integrare ulteriori tue riflessioni) 3) un PDF ESERCIZI svolti e commentati. Se sei un abbonato (attenzione perché gli abbonamenti partono da febbraio 2022) allora potrai seguire la LIVE esclusiva in cui risolverò e commenterò gli esercizi di questo PDF 4) un TEST DI VERIFICA che svolgerai quando avrai completato lo studio di teoria di esercizi e ti servirà per fissare ulteriormente i concetti che hai studiato in modo da essere preparato per le interrogazioni, i compiti in classe, i test che dovrai affrontare. Ora passiamo ad un riepilogo scritto di tutto quello che vedremo relativamente a questo argomento
Intanto cominciamo a domandarci, che cos’è l’equilibrio termico? È quel particolare stato al quale due sostanze mescolate oppure a contatto che inizialmente hanno temperature diverse si portano. Il raggiungimento dell’equilibrio termico è condizionato da alcune grandezze fisiche che caratterizzano ogni sostanza: la massa, il calore specifico ed appunto la temperatura iniziale alla quale questa sostanza si trova. Una volta raggiunto l’equilibrio termico le due sostanze si portano appunto alla stessa temperatura detta temperatura di equilibrio.
Dunque la temperatura di equilibrio è quello stato termico che le due sostanze, che possono avere masse piuttosto che calori specifici differenti o anche uguali, raggiungono. Ovviamente condizione necessaria per raggiungere la temperatura di equilibrio è che le due sostanze abbiano una temperatura iniziale differente.
Per calcolare la temperatura di equilibrio come già detto abbiamo bisogno del calore specifico di entrambe le sostanze, delle temperature iniziali e delle masse. Dunque la temperatura di equilibrio è uguale al prodotto di queste tre grandezze della prima sostanza al quale sommiamo il prodotto delle tre grandezze della seconda sostanza tutto fratto il prodotto tra massa e calore specifico della prima sostanza al quale sommiamo il prodotto tra massa e calore specifico della seconda sostanza. 'Te= (m1c1T1 + m2c2T2)/(m1c1+m2c2)' Se il calore specifico è lo stesso oppure la massa è la stessa oppure abbiamo sia calore specifico che massa uguali allora la formula si semplifica ulteriormente, quindi abbiamo tre sottocasi
Se le due sostanze hanno differente calore specifico ma stessa massa la formula si semplifica ed otteniamo questo 'Te= (c1T1 + c2T2)/(c1+c2)'
Se le due sostanze hanno differente massa ma stesso calore specifico la formula si semplifica ed otteniamo questo 'Te= (m1T1 + m2T2)/(m1+m2)'
Se le due sostanze hanno la stessa massa e lo stesso calore specifico allora la temperatura di equilibrio è semplicemente la media aritmetica delle temperature iniziali e la formula si semplifica così 'Te= (T1 + T2)/2' Vediamo di definire meglio che cos’è il calore specifico
Se invece consideriamo la massa dell’oggetto allora dobbiamo prendere in considerazione una nuova grandezza fisica: il calore specifico. Infatti il calore specifico è una grandezza fisica scalare che misura la quantità di calore scambiata considerando la massa dell’oggetto
Il calore specifico è uguale al rapporto tra la capacità termica di un oggetto e la sua massa 'c= C/m'
Dato che la capacità termica si misura in joule fratto kelvin e la massa si misura in kilogrammi allora il calore specifico si misurerà in joule fratto kelvin per kilogrammi
Considerando in generale 1 kg di sostanza allora possiamo trovare in rete il calore specifico di una sostanza direttamente consultando le tabelle online. Attenzione perché a volte il calore specifico all’interno della sua unità di misura ha il grammo anziché il kilogrammo. Quindi vi consiglio di guardare attentamente l’unità di misura specificata nella tabella che state consultando Dunque per definire il calore specifico ci serve comprendere che cos’è la capacità termica, facciamolo!
La capacità termica è una grandezza fisica scalare che ci permette di calcolare la quantità di calore assorbito o ceduto da un oggetto indipendentemente dalla massa dell’oggetto
La capacità termica è uguale al rapporto tra la quantità di calore assorbito oppure ceduto dal corpo fratto la differenza di temperatura che il corpo subisce 'C= Q/\Delta T'
Dato che il calore si misura in joule e la differenza di temperatura si misura in gradi Celsius oppure gradi Kelvin allora la capacità termica sarà uguale a joule fratto gradi Celsius oppure joule fratto gradi Kelvin Combinando insieme la formula della capacità termica con la formula del calore specifico si ottiene una nuova legge che descrive il calore scambiato da un oggetto in funzione della sua massa, del suo calore specifico e della differenza di temperatura alla quale è sottoposto
Vediamo adesso a proposito della legge della termologia la formula e le unità di misura
Allora nella legge della termologia vediamo che il calore è uguale al prodotto tra la massa dell’oggetto per il suo calore specifico per la differenza di temperatura alla quale è sottoposto 'Q= m\cdot c\cdot \Delta T'
Ovviamente stiamo parlando di calore: dunque l’unità di misura in gioco sarà il joule. Questo risulterà dal prodotto dell’unità di misura della massa (kilogrammi) per l’unità di misura del calore specifico (joule fratto kilogrammi per gradi kelvin) moltiplicato infine per l’unità di misura della differenza di temperatura (gradi kelvin)
Ed ecco che siamo arrivati alla parte sperimentale di questo paragrafo. Possiamo utilizzare un dispositivo per determinare il calore specifico di una certa sostanza attraverso un procedimento semplice ma lineare. Questo procedimento si ottiene utilizzando appunto il calorimetro che è un dispositivo che serve a misurare la temperatura di equilibrio che due sostanze raggiungono e tramite questa misurazione di questa temperatura di equilibrio si può calcolare, dunque dedurre matematicamente, il calore specifico dell’oggetto in esame. Ma come funziona il calorimetro e come fatto il calorimetro? Vediamolo per bene.
Un calorimetro è costituito da un contenitore interno e da un contenitore esterno separati da materiale isolante termicamente. Assomiglia moltissimo ad un thermos se ci pensate! Obiettivo è fare sì che il calore delle sostanze non venga disperso ovvero scambiato con l’ambiente ma venga scambiato solamente fra le due sostanze che tipicamente si trovano a temperature differenti. Inoltre nel calorimetro è presente un agitatore che è uno strumento che serve semplicemente a facilitare lo scambio di calore fra le due sostanze e fare si che questa raggiungano più velocemente la temperatura di equilibrio e da un termometro che appunto servirà per misurare la temperatura di equilibrio. Ma come si procede all’utilizzo del calorimetro? E dunque come si ottiene la temperatura di equilibrio? Vediamolo!
Il tipo di calorimetro che utilizziamo in questo caso viene chiamato calorimetro delle mescolanze: tipicamente si versa nel calorimetro una certa quantità nota di massa di acqua alla certa temperatura anche questa nota. In seguito si va ad inserire un pezzetto di materiale del quale si conosce la massa ma non si conosce il calore specifico di questo materiale, appunto lo si vuole determinare. Di questo materiale ignoto si conosce anche la temperatura iniziale che tipicamente è diversa dalla temperatura dell’acqua. Ovviamente essendo questo materiale immerso nell’acqua ci sarà uno scambio di calore: acqua e materiale si porteranno alla stessa temperatura, chiamata temperatura di equilibrio. Come già detto useremo l’agitatore per facilitare lo scambio di calore fra acqua e materiale. Arrivati alla temperatura di equilibrio ci renderemo conto che il termometro si sarà fermato e quindi potremo leggere la temperatura di equilibrio. Qui la temperatura di equilibrio ci servirà per determinare il calore specifico del materiale ignoto ed utilizzeremo la formula vista prima come formula inversa rispetto al calore specifico del materiale del quale vogliamo appunto scoprire di più!
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Eccoci arrivati al test di allenamento! svolgi questo test solo e soltanto quando sarai sicuro del lavoro fatto Dunque, prima di metterti alla prova con il test: 1) studia con attenzione la lezione di teoria 2) risolvi gli esercizi svolti e commentati 3) metti in pratica le cose che hai imparato provando a risolvere altri esercizi da libri e dalla rete In bocca al lupo per il test! Superandolo avrai acquisito le nozioni necessarie per affrontare interrogazioni, compiti in classe e test di ammissione universitari su questo specifico argomento