Equivalente meccanico del calore

1. Equivalente meccanico del calore Esperienza di Schurholz-Sprenger

2. Energia meccanica e calore Energia meccanica e calore sono due forme diverse di energia Perché questo concetto fosse riconosciuto ci sono voluti molti anni! • 1798: Benjamin Thompson nota l’aumento di temperatura delle schegge prodotte durante l’alesaggio dei cannoni • 1799: Sir Humphrey Davy cerca di dimostrare che si possono sciogliere due pezzi di. ghiaccio sfregandoli 1'uno contro l'altro • 1840: James Prescott Joule e in grado, dopo aver eseguito una serie di ammirevoli esperimenti, di stabilire una volta per tutte l'equivalenza di lavoro e calore

3. Il Principio di equivalenza Se un sistema materiale esegue una trasformazione ciclica, durante la quale scambia con l'esterno un lavoro L e una quantità di calore Q (senza scambio di altre forme di energia) esiste un rapporto costante tra i valori di L e Q. Questo rapporto ha un valore universale, indipendente dal particolare sistema materiale considerato e dal tipo di trasformazione. Il Principio di equivalenza costituisce il Primo Principio della Termodinamica per le trasformazioni cicliche: dove J è l'equivalente meccanico della caloria. Se L è misurato in joule e Q in calorie, J viene espresso in J/cal. Il valore di J va determinato sperimentalmente: a questo sono serviti i lavori di Joule e il suo famoso mulinello. Il valore accettato di J è 4.186 Joule /cal.

4. Il mulinello di Joule

5. Determinazione sperimentale dell’equivalente meccanico della caloria Esperienza di Schurholz-Sprenger APPARATO SPERIMENTALE Un calorimetro di rame contenente acqua distillata può essere ruotato con una manovella; durante la rotazione esso friziona contro una treccia di rame avvoltagli intorno e tesa da un peso di 5 Kg. Un termometro permette di misurare l’aumento di temperatura del calorimetro.

6. Equivalente in acqua del calorimetro La frizione del calorimetro contro la treccia di rame determina un aumento di temperatura dell’acqua contenuta nel calorimetro in seguito all’attrito. Tuttavia calore è acquistato non solo dall’acqua ma dal calorimetro stesso; di tale calore va tenuto conto attraverso la capacità termica del calorimetro: Capacità termica calorimetro = massa calorimetro x calore specifico rame Calore specifico rame a 20 °C = 0,092 cal/g°C MISURA LA MASSA DEL CALORIMETRO E CALCOLA LA SUA CAPACITA’ TERMICA

7. Si procede con l’esperienza • Riempire il calorimetro con acqua e misurare la sua nuova massa: la massa di acqua è quindi determinata per differenza (Metodo della tara) • Inserire il termometro e chiudere il calorimetro, montare il calorimetro sul supporto; misurare la temperatura iniziale; misurare il diametro d del tamburo con un calibro • Avvolgere la treccia di rame per 5 volte e agganciare il peso di 5 Kg a riposo sul pavimento • Girare la manovella e osservare il peso che si solleva e poi si mantiene ad una quota costante per effetto dell’attrito: a questo punto si può affermare che il peso è equilibrato dalla forza di attrito P = R • Misurare la temperatura finale del calorimetro

8. Lavoro e Calore Si compie sul sistema un lavoro L < 0 e il sistema cede al calorimetro una quantità di calore Q < 0. Il lavoro L per far compiere al tamburo di diametro d un numero n di giri contro la forza di attrito R è dato dal prodotto forza di attrito per spostamento: L = R π d n = P π d n La quantità di calore acquistata dal calorimetro è data da: Ove l’indice a indica acqua e l’indice r indica il rame.

9. La misura Misurati il lavoro e il calore si ha il valore dell’equivalente meccanico della caloria: Dalla relazione scritta si osserva che esiste una relazione lineare tra il numero di giri compiuti dal tamburo e la variazione di temperatura sicché misurando la temperatura a diversi valori di n si dovrebbe ottenere una retta con pendenza J