Esperimento di Fisica anno scolastico 2012-2013 Tito Acerbo

1. Esperimento di Fisica anno scolastico 2012-2013 Tito Acerbo Classe 2C CAT Alunni: Silvia Perfetto, CosminKrajela, Giovanni Di Girolamo, Federico Di Cintio.

2. OBBIETTIVO • Misurare il calore specifico di un corpo fisico.

3. RICHIAMI TEORICI In questo esperimento osserveremo il raggiungimento dell’equilibrio termico tra due corpi differenti a temperature diverse, tramite contatto in un calorimetro. • Il calorimetro è uno contenitore leggero ben isolato termicamente per impedire scambio di calore con l’ambiente esterno. • Nel calorimetro avviene l’equilibrio termico tra due corpi a contatto, ossia la condizione in cui due sistemi fisici raggiungono la stessa temperatura, detta temperatura d’equilibrio; è inoltre necessario tener conto dell’assorbimento di calore da parte del calorimetro che è uguale alla massa equivalente dell’acqua nello stesso calorimetro e tutto ciò è racchiuso nella seguente formula: Te = (m1 + me)∙c1∙T1 + m2∙c2∙T2 / c1∙(m1+me) + (c2 ∙ m2) dove m1 è la massa dell’acqua ed me l’equivalente in acqua del calorimetro.  • La legge fondamentale della termologia serve a calcolare la quantità di energia che un corpo di una certa massa assorbe o cede quando la sua temperatura aumenta o diminuisce. La sua formulazione è Q = m ∙ c ∙ ΔT • Il calore specifico è la quantità di energia necessaria per far aumentare di 1K la temperatura di 1Kg di quella sostanza. La formula del calore specifico si può ricavare dalla legge fondamentale della termologia: c = Q / (m ∙ ΔT) Sperimentalmente è possibile determinare il calore specifico di una sostanza in equilibrio termico con un'altra, tramite la seguente formula che tiene conto dell’equivalente in acqua del calorimetro: C2 = c1∙(m1+me)∙(Te - T1) / m2 ∙ (T2 - Te)

4. MATERIALI UTILIZZATI • Termometro digitale (Portata: -40°C / 150°C Sensibilità: 0,1°C) • Bilancia elettronica (Portata: 1200g Sensibilità: 0,01g) • Fornellino elettrico • Spruzzetto • Pinzetta • Cilindro graduato (Portata: 250 ml Sensibilità: 2ml) • Becher • Calorimetro con massa equivalente pari a 20,72g • Acqua • Pezzo di metallo

5. PROCEDIMENTO 1° fase • si versano 200g di acqua nel calorimetro; • si rileva la temperatura; • si mettono a riscaldare sul fornellino altri 200g d’acqua fino a raggiungere la temperatura di 74,4° C; • si versa l’acqua calda nel calorimetro; • si aspetta il raggiungimento della temperatura d’equilibrio tra l’acqua calda e quella tiepida; 2° fase • si versano 200g di acqua a temperatura ambiente nel calorimetro; • si aspetta che la temperatura dell’acqua si stabilizzi; • si mettono altri 200g di acqua insieme ad un corpo di metallo e a una pinza in un beker sul fornellino fino al raggiungimento dei 64,5°C ; • dopo aver raggiunto tale temperatura, con la pinza si preleva il pezzo di metallo e lo si mette nel calorimetro procedendo con la rapida chiusura di quest’ultimo; • inseriamo la sonda del termometro digitale nel calorimetro; • si aspetta il raggiungimento della temperatura d’equilibrio tra l’acqua e il corpo di metallo 3° fase; • Elaborazione dei dati e calcolo degli errori; • Analisi e valutazione dei dati.

6. IMMAGINI PROCEDIMENTO Acqua, pezzo di ferro e pinza nel becher sul fornellino elettrico Massa del pezzo di ferro Temperatura di equilibrio tra l’acqua e il pezzo di ferro Raggiungimento dei 64,5°C

7. DATI SPERIMENTALI 1° fase 2° fase

8. ELABORAZIONE DATI • 1° fase : massa equivalente me = m·(T1 + T2 – 2Te) / (Te - T1) = 200g·(21,6 + 74,4 −(2 ∙ 46,7))°C / (46,7 − 21,6)°C = 20,72g • 2° fase : calore specifico c2 = c1∙(m1+me)∙(Te - T1) / m2∙(T2 - Te) = 4186∙(200+20,72)∙(26,0 – 24,3) / 87.27∙(64.5 – 26.0) = = 467,5 J/Kg∙K • Gli errori • Per calcolare l’errore assoluto della massa equivalente, si stabilisce: (T1 + T2 – 2Te) = Ta (Te - T1) = Tb Quindi: Ta = T1 + T3 - 2Te =21,6 + 74,4 -(2 ∙ 46,7) = 2,6°C ΔTa = ΔT1 + ΔT3 + 2(ΔTe) = 0,1 + 0,1+ (2∙0,1)=0,4°C Tb = Te - T1 = 46,7 − 21,6 = 25,1°C ΔTb = ΔTe + ΔT1 = 0,1 + 0,1 = 0,2°C Δme = me ∙[(ΔTa/Ta) + (ΔTb/Tb) + (Δm/m)] =20,72g ∙ [(0,4/2,6) + (0,2/25,1) + (2/200)] = 3,56g

9. Per calcolare l’errore assoluto del calore specifico, si stabilisce: (m1+me) = m’ (Te - T1) = Ta (T2 - Te) = Tb Quindi: m’ = m1+me = 200+20,72 = 220,72g Δm’ = Δm1 + Δme = 2+ 3,56 = 5,56g Ta = Te - T1 = 26,0 – 24,3 = 1,7°C ΔTa = ΔTe + ΔT1 = 0,1 + 0,1 = 0,2°C Tb = T2 – Te = 64,5 – 26,0 = 38,5°C ΔTb = ΔT2 + ΔTe = 0,1 + 0,1 = 0,2°C Δc2 = c2 ∙ [(Δm1/m1) + (ΔTa/Ta) + (Δm2/ m2) + (ΔTb/Tb)] = 467,5∙ [(2/200) + (0,2/1,7) + (0,01/87,27) + (0,2/38,5]= 62,5 J/Kg∙K • L’errore percentuale del calore specifico è il seguente: (Δc2/ c2)∙100 = (62,5/467,5)∙100 = 13,4%

10. OSSERVAZIONI E CONCLUSIONI Dal risultato ottenuto si può concludere che il materiale del corpo con cui abbiamo eseguito l’esperimento è il ferro: infatti il calore specifico di quest’ultimo è pari a 450 J/ Kg∙K e il risultato ottenuto è 467,5 J/ Kg∙K è quindi necessario fare delle considerazioni: • L’acqua utilizzata non era distillata e ciò ha condizionato in parte il risultato • Ci sono stati degli scambi di calore con l’esterno dopo aver messo il corpo di ferro nel calorimetro, nonostante l’attenzione nella rapida chiusura di quest’ultimo • Sono stati commessi degli errori durante la rilevazione delle misure che hanno causato un errore di 3,56g per quanto riguarda la massa equivalente e per quanto riguarda invece il calore specifico della barretta di ferro, è stato calcolato un errore pari a 62,5 J/Kg∙K • Infine è stato calcolato l’errore percentuale del calore specifico, che risulta essere 13,4%; generalmente un esperimento può considerarsi riuscito se, dopo aver calcolato l’errore percentuale sulla grandezza in esame, si ottiene un valore che va dal 10% in sotto. Se si tiene, però, conto della strumentazione impiegata e di altri fattori precedentemente citati,può considerarsi buono anche il valore sopra indicato.

11. RINGRAZIAMENTI • Si ringrazia l’Istituto tecnico Tito Acerbo per aver fornito il laboratorio di Fisica • Si ringraziano i Professori: Iannelli Fernando e Checchia Gianni per l’assistenza fornita durante l’esperimento.