Calorimetro

Calore specifico

Sostanze diverse richiedono il trasferimento di quantità diverse di energia termica per cambiare la loro temperatura di una data quantità. Un esempio di sostanza con elevata capacità termica specifica è l'acqua. Un esempio di bassa capacità termica specifica è il ferro (e la maggior parte degli acciai).

Esistono vari tipi di calorimetro. In questo articolo, illustreremo brevemente i due tipi che avrai più probabilità di incontrare nei tuoi studi: il calorimetro delle mescolanze e il calorimetro a ghiaccio (quest'ultimo noto anche come calorimetro di Lavoisier e Laplace).

Calorimetro: funzionamento

Calorimetro delle mescolanze

Il calorimetro delle mescolanze è costituito da un thermos (in altre parole, da un contenitore che mantiene un isolamento termico tra il contenuto e l'ambiente) in cui viene versata dell'acqua.

Dopo aver scaldato la sostanza di cui si vuole misurare il calore specifico e averne misurato la temperatura, la si inserisce all'interno del calorimetro in cui sono posti anche un termometro e un agitatore.

Dallo studio della termodinamica ti ricorderai che quando vengono messi a contatto due corpi a temperatura diversa, il calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo. Quindi, ci aspetteremo che lo stesso avvenga nel calorimetro: il calore fluirà dalla sostanza che abbiamo scaldato (e di cui vogliamo conoscere il calore specifico) all'acqua.

Quando viene raggiunto l'equilibrio termico, il calore cesserà di fluire tra il campione della sostanza in esame e l'acqua. Il passo successivo è quindi quello di misurare la temperatura all'equilibrio tramite il termometro immerso nell'acqua.

In assenza di dispersioni di calore (abbiamo supposto che le pareti del contenitore siano adiabatiche), possiamo scrivere:

\[Q_\mathrm{ass} + Q_\mathrm{ced}= 0\,, \]

oppure

\[Q_\mathrm{ass} = - Q_\mathrm{ced}\,.\]

Ovvero, il calore assorbito dall'acqua è uguale al calore ceduto dal campione sostanza in esame.

Indicando con \(T_e\), la temperatura di equilibrio raggiunta dal sistema, con \(m_a\), \(c_a\) e \(T_a\), rispettivamente, la massa, il calore specifico e la temperatura dell'acqua, con \(m_c\), \(c_c\) e \(T_c\), rispettivamente, la massa, il calore specifico e la temperatura del campione, e ricordando la formula per il calore specifico:

\[c =\frac{Q}{m\: \Delta T}\,,\]

possiamo scrivere la relazione \(Q_\mathrm{ass} + Q_\mathrm{ced}= 0 \) nel seguente modo:

\[m_\mathrm{a} c_\mathrm{a} (T_\mathrm{e} - T_\mathrm{a}) + m_c c_\mathrm{c} (T_\mathrm{e} - T_\mathrm{c}) = 0\,, \]

da cui ricaviamo il valore del calore specifico del campione in esame:

\[c_\mathrm{c} = \frac{c_\mathrm{a} m_\mathrm{a}(T_\mathrm{e} - T_\mathrm{a})}{m_\mathrm{c} (T_\mathrm{c} - T_\mathrm{e})} \,.\]

Calorimetro a ghiaccio (o di Lavoisier e Laplace)

Fig. 1 - Calorimetro di Lavoisier e Laplace, Museo delle Arti e dei Mestieri (Parigi, Francia).

Il calorimetro a ghiaccio, noto anche come calorimetro di Lavoisier e Laplace, è formato da tre involucri concentrici: nel più interno si colloca il campione della sostanza in esame; in quello intermedio si colloca il ghiaccio che si scioglierà a seguito del calore ceduto dal campione; in quello più esterno si pone dell'altro ghiaccio che impedisce che al calore proveniente dall'esterno di fondere il ghiaccio posto all'interno del recipiente intermedio.

Tramite una tubatura, si raccoglie l’acqua proveniente dalla fusione del ghiaccio nel contenitore intermedio. In base alla quantità d'acqua raccolta, si può misurare il calore fornito dal campione al ghiaccio e, di conseguenza, il suo calore specifico.

Calorimetro: esercizi

Vediamo ora due esempi pratici di misurazione con un calorimetro!