Laboratorio - Trasformazione del lavoro in calore

I.T.I.S. “J. TORRIANI” – CREMONA

Laboratorio di Fisica

Allievo: Data: 13.02.2007

Classe: 2ªB LST Esercitazione n° 12

Gruppo: Bencivenga Salvatore,

Cristofoletti Miriam,

Lorenzini Lara,

Lorenzini Marco,

Tomasoni Alice.

Titolo: Trasformazione del lavoro in calore

Obiettivi:

1. Osservare e descrivere il dispositivo usato.

2. Calcolare il lavoro fatto dalla forza peso durante la caduta di una massa di palline di piombo.

3. Misurare il calore che si produce alla fine della caduta.

4. Determinazione sperimentale dell’equivalente meccanico della caloria.

Disegno:

Richiami teorici:

ENERGIA TERMICA = energia che si propaga da un corpo ad un altro in virtù della loro differenza di

temperatura.

CALORIA = (unità di misura nel sistema tecnico dell’energia termica) quantità di calore che si deve for

nire ad un grammo d’acqua per aumentare la sua temperatura di 1°C (da 14,5°C a 15,5°C).

TEMPERATURA = modello (situazione cui fare riferimento per spiegare fenomeni non possibili da ve-

dere) indice della massima e minima agitazione termica di un corpo; es:

- se ho un corpo con una temperatura alta, ci sarà molta oscillazione fra gli atomi;

- se, invece, ho un corpo con una bassa temperatura, ci sarà poca oscillazione fra gli atomi.

MASSA = grandezza fisica che esprime la quantità di materia contenuta in un corpo.

ATOMO = la più piccola parte di un elemento che in qualsiasi procedimento chimico mantiene le proprie

caratteristiche, rimanendo inalterata (in questo caso riguarda il calore); oscilla, facendo un movimento

(chiamato AGITAZIONE TERMICA) intorno ad una situazione di equilibrio.

SITUAZIONE DI EQUILIBRIO = dove gli atomi oscillano allo stesso modo, cioè hanno quindi la stessa

temperatura.

CALORE SPECIFICO = quantità di calore che bisogna fornire per aumentare di 1°C la temperatura di 1g

del corpo.

CALORE LATENTE = grandezza tabulata che indica la quantità di calore che occorre fornire ad un

grammo per far avvenire il passaggio di stato; dipende dalla sostanza e dal passaggio di stato del corpo.

EQUIVALENTE MECCANICO (J) = rapporto numerico costante tra la quantità di calore Q e di lavoro L;

L J .

vale ⇒ kcal

Q

Strumentazione:

tubo porta disegni in plastica (cattivo conduttore termico) avente un’estremità sigillata e una

aperta ma chiudibile per mezzo di un tappo

pallini di piombo

termometro

metro

Modo di operare:

schema:

mettere i pallini di piombo nel tappo del tubo;

trovare la temperatura iniziale del piombo;

misurare l’altezza interna del tubo;

versare i pallini nel tubo e chiuderlo col tappo;

far ruotare il tubo di 180° per 29 volte (in tutto i pallini cadono 30 volte);

stappare il tubo;

trovare la temperatura finale del piombo;

calcolare l’equivalente meccanico della caloria.

descrizione:

Per iniziare l’esperienza abbiamo analizzato la strumentazione usata. Successivamente abbiamo

riempito il tappo del tubo con i pallini di piombo nei quali abbiamo immerso il bulbo del termometro

per misurarne le temperatura iniziale. Registrato tale valore, abbiamo travasato i pallini (che ef-

fettuano la prima caduta) nel tubo, di cui avevamo precedentemente misurato l’altezza interna,

che è poi stato velocemente chiuso con il suo tappo. L’operatore ha poi fatto ruotare velocemente

di 180° il tubo. Questa operazione è stata ripetuta più volte in modo tale che i pallini eseguissero

in totale 30 cadute. Terminata questa fase, abbiamo determinato la temperatura finale del piom-

bo. Questa operazione è stata facilitata dal fatto che al termine delle 30 cadute il tappo si trova-

va in basso e i pallini già contenuti in esso; ciò ha comportato una minima dispersione di calore nello

stappare e nell’inserire il termometro nei pallini. Con i dati ottenuti abbiamo impostato un’equazio-

ne con la quale abbiamo calcolato il lavoro e il calore sviluppatosi durante la caduta dei pallini. Fa-

cendo il rapporto tra queste due grandezze, è stato possibile trovare il valore dell’equivalente mec

canico della caloria.

N.B.: Queste operazioni sono state effettuate prima dal professore e in seguito dai singoli gruppi.

Risultati ottenuti dall’esperienza eseguita del professore:

- m non è stata rilevata perché risulta ininfluente al calcolo dell’equivalente meccanico della ca-

⇒

Pb

loria. cal

- Cs = 0,031

Pb g C

⋅ °

= (23,2 ± 0,1) °C

- T°f Pb

- T°i = (20,9 ± 0,1) °C

Pb

- h = (0,993 ± 0,003) m c’è però da tenere conto del volume dei pallini (0,983 ± 0,003) m

⇒ ⇒

interna

- n = 30

cadute

eguagliamo il valore del lavoro a quello della quantità di calore, in modo da verificare che poi il loro

™ J

rapporto risulti essere uguale o simile a quello teorico (J = 4186 ):

kcal

L = Q

m · g · h · n = m · Cs · (T°f - T°i )

Pb interna cadute Pb Pb Pb Pb

1 · g · h · n = 1 · Cs · (T°f - T°i )

interna cadute Pb Pb Pb

1 · 9,8 · 0,983 · 30 = 1 · 0,031 · (23,2 – 20,9)

1 · 9,8 · 0,983 · 30 = 1 · 0,031 · 2,3

289,002 (J) = 0,0713 (kcal)

L 289

, 002 J

J = = = 4053,03

0

, 0713 kcal

Q

determinazione dell’errore assoluto dell’equivalente meccanico:

™ Ea Ea J

0

, 003 0

,

2

   

h

Ea = (Er + Er ) · J = · J = · 4053,03 = 364,81

+

+ T

   

°

L Q h T 0

,

983 2

,

3 kcal

°  

 

J

J = (4053,03 ± 364,81)

™ kcal

determinare la percentuale di errore:

™ Ea 100 364

,

81 100

⋅ ⋅

J

Er = = = 9% determinato dal salto termico

⇒

% 4053

, 03

J

Risultati ottenuti dall’esperienza eseguita dai singoli gruppi:

- m non è stata rilevata perché risulta ininfluente al calcolo dell’equivalente meccanico della ca-

⇒

Pb

loria. cal

= 0,031

- Cs

Pb g C

⋅ °

- T°f = (22,8 ± 0,1) °C

Pb

- T°i = (20,5 ± 0,1) °C

Pb

- h = (0,991 ± 0,003) m c’è però da tenere conto del volume dei pallini (0,981 ± 0,003) m

⇒ ⇒

interna

- n = 30

cadute

eguagliamo il valore del lavoro a quello della quantità di calore, in modo da verificare che poi il loro

™ J

rapporto risulti essere uguale o simile a quello teorico (J = 4186 ):

kcal

L = Q

m · g · h · n = m · Cs · (T°f - T°i )

Pb interna cadute Pb Pb Pb Pb

1 · g · h · n = 1 · Cs · (T°f - T°i )

interna cadute Pb Pb Pb

1 · 9,8 · 0,981 · 30 = 1 · 0,031 · (22,8 – 20,5)

1 · 9,8 · 0,983 · 30 = 1 · 0,031 · 2,3

288,414 (J) = 0,071 (kcal)