CALORIMETRIA
James Prescott Joule
Joule nacque la vigilia di Natale del 1818 a Salford, un paese nelle vicinanze di Manchester, da una
famiglia di produttori di birra, ed ebbe tra i suoi insegnanti il chimico John Dalton.
Si dedicò sin da giovane a ricerche scientifiche che eseguiva cercando di spingere all'estremo limite
l'accuratezza e la precisione delle misurazioni. Si interessò del calore e delle sue connessioni con
l'elettricità e la meccanica. A 25 anni effettuò il primo tentativo di definire l'unità di misura della
corrente elettrica, attualmente rappresentata dall'ampere. Nel 1841, indagando sugli effetti termici,
inviò alla Royal Society un articolo in cui dimostrava che un conduttore attraversato da corrente
elettrica produce calore in quantità proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato della
corrente stessa. Questo fenomeno è oggi chiamato effetto Joule.
Successivamente Joule enunciò ad un congresso in Irlanda il principio noto come equivalente
meccanico del calore. Grazie alle sue sperimentazioni (e usando uno strumento che prende il suo
nome) dimostrò che calore e lavoro meccanico potevano convertirsi direttamente l'uno nell'altro,
mantenendo però costante il loro valore complessivo: nelle macchine idrauliche e meccaniche gli attriti
trasformano la potenza meccanica perduta (lavoro) in calore e, viceversa, nelle macchine termiche
l'effetto meccanico prodotto (lavoro) deriva da una quantità equivalente di calore. In tal modo Joule
cominciò a porre le basi sperimentali del primo principio della termodinamica.
Inizialmente la scoperta non suscitò molto interesse, ma in seguito egli ricevette per questo la Royal e
la Copley Medal da parte della Royal Society. In pratica egli dimostrò il principio di conservazione
dell'energia per i sistemi termodinamici (il calore è una forma di energia meccanica).
Per misurare l'equivalente meccanico del calore, nel 1845 egli costruì una macchina, ora chiamata
"mulinello di Joule" che consente di misurare il calore prodotto in conseguenza della dissipazione di
una quantità nota di energia meccanica. Questa macchina, è formata da un calorimetro contenente
acqua, all'interno del quale è inserito un mulinello libero di ruotare attorno ad un asse verticale. Il
mulinello è collegato con un sistema di funi e pulegge ad una coppia di pesi, mantenuti inizialmente
fermi. Se i pesi vengono sbloccati, essi incominciano a scendere mettendo in rotazione il mulinello.
Tale movimento viene rallentato dall'attrito viscoso dell'acqua contro le pale del mulinello. Una volta
che i pesi sono scesi a terra, tutta la loro energia potenziale iniziale si è convertita in calore. Tale calore
si può quantificare misurando la variazione di temperatura che subisce l'acqua durante l'esperimento.
Joule trovò che per fornire una quantità di calore pari ad una caloria occorrono circa 4,41 J di lavoro. Il
valore dell'equivalente meccanico della caloria oggi accettato è di 4,186 J/cal. In suo onore si chiama
Joule (J) l'unità di misura dell'energia del Sistema Internazionale (SI).
Biografia tratta da Wikipedia
Ing.Carmelo Peri
PRINCIPIO DELL’EQUILIBRIO TERMICO
Due corpi posti in contatto, dopo un certo periodo di tempo, raggiungono l’equilibrio
termico.
Due corpi sono in equilibrio termico se hanno la stessa temperatura.
TEMPERATURA DI EQUILIBRIO.
Se consideriamo due corpi omogenei (costituiti, cioè, della stessa sostanza) con masse e
temperature differenti, e li mettiamo a contatto tra di loro, osserveremo sperimentalmente
che, dopo un certo periodo di tempo, raggiungeranno la stessa temperatura.
Se indichiamo con:
m1 = massa del primo corpo
T1 = temperatura del primo corpo
m2 = massa del secondo corpo
T2 = temperatura del secondo corpo
all’equilibrio sperimentalmente, viene soddisfatta la relazione:
m1 (Te-T1)=m2 (T2-Te) e quindi Te= (m1T1+m2T2)/(m1+m2)
Dove con Te abbiamo indicato la temperatura finale raggiunta dai due corpi a contatto
(temperatura di equilibrio).
CALORI SPECIFICI E QUANTITA’ DI CALORE.
Ogni corpo è così caratterizzato da un coefficiente c detto calore specifico. Esso varia
principalmente variando la natura dei corpi.
Se consideriamo un corpo di massa m posto alla temperatura T1 e lo mettiamo a contatto con
una fonte di calore finchè il corpo non assume una temperatura T2, la quantità di calore che il
corpo ha assorbito si ottiene moltiplicando la massa, il calore specifico e la variazione di
temperatura.
Q=m·c·DT = m·c· (T2 –T1)  relazione fondamentale della calorimetria
Se la temperatura finale è maggiore della temperatura iniziale il corpo ha assorbito calore (Q è
positivo) in caso contrario cede calore (Q è negativo)
Il prodotto della massa per il calore specifico di un corpo prende il nome di Capacità Termica.
C= m·c
Nel sistema pratico di misura,
L’unità di misura della quantità di calore è la chilocaloria (kcal), che corrisponde alla quantità
di calore necessaria per innalzare la temperatura di 1 Kg di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C.
Mentre l’unità di misura del calore specifico si ricava dalla:
c = Q / (m· DT)  Kcal / (Kg·°C) = Cal / g · °C
Nel sistema internazionale (SI),
L’unità di misura della quantità di calore è il Joule che corrisponde a 4186 Kcal.
E l’unità di misura del calore specifico si ricava sempre dalla:
c = Q / (m· DT)  [ J / (Kg·°K)]
Tabella Calore specifico
SOLIDI
C
KCal/Kg°C
Acciaio
Alluminio
Argento
Calcio
Ferro
Nichel
Oro
Piombo
Platino
Rame
Vetro
0,144
0,217
0,057
0,170
0,114
0,108
0,032
0,031
0,031
0,093
0,190
LIQUIDI
Acetone
Acqua
Alcool etilico
Alcool metilico
Benzolo
Cloroformio
Mercurio
Olio d’oliva
Petrolio
Toluolo
Xilolo
C
KCal/Kg°C
0,528
0,998
0,581
0,600
0,406
0,226
0,033
0,474
0,498
0,403
0,397
Calorimetro ad acqua
Il calorimetro ad acqua (calorimetro delle mescolanze di Regnault)
È costituito da un recipiente opportunamente isolato in
modo da che impedire scambi di calore con l'ambiente esterno.
Tale recipiente è dotato di coperchio e agitatore che assicura
l'uniformità di temperatura in tutto il liquido (vedi figura).
Si inserisce nel recipiente una massa nota di acqua distillata e nell’acqua si immerge il bulbo di
un termometro.
Se inseriamo nel calorimetro un corpo di massa m con temperatura maggiore di quella
dell'acqua del calorimetro notiamo che questo corpo cede una certa quantità di calore Q
all’acqua e in parte al recipiente, al termometro e all’agitatore.
Al fine di tener conto della quantità di calore assorbita dal calorimetri nel suo complesso
dobbiamo introdurre l'equivalente in acqua del calorimetro o massa equivalente (M*), che si
definisce come la quantità d'acqua avente capacità termica uguale a quella del termometro,
dell'agitatore e del recipiente (questa quantità è un valore fornito dal costruttore)
A questo punto sussisterà la relazione:
Q = (M + M*) × c × DT
dove
C rappresenta la capacità termica del sistema termometro, agitatore e recipiente;
M* rappresenta l'equivalente in acqua del calorimetro.
DT rappresenta la variazione di temperatura subita dall’acqua e misurata con il termometro.
Calcolo del calore specifico
Tramite il calorimetro ad acqua (calorimetro delle mescolanze
di Regnault) è possibile determinare il calore specifico del
corpo che immergiamo nell’acqua distillata.
Conosciamo la massa mA dell’acqua, conosciamo la temperatura
iniziale dell’acqua TA, conosciamo la massa del corpo immerso mB
e la temperatura del corpo prima di essere immerso TB , lasciamo
I corpi a contatto per un tempo sufficiente (la temperatura si stabilizza) e misuriamo la
temperatura di equilibrio TE.
Se il corpo ha una temperatura maggiore dell’acqua (TB > TA) il corpo avrà ceduto una quantità
di calore QB, all’acqua e al calorimetro e conseguentemente l’acqua avrà assorbito una quantità
di calore QA e il calorimetro una quantità di calore QB.
In definitiva è possibile scrivere la seguente relazione:
QB= QA + QC
Sostituendo si ha:
mB· cB·(TE-TB) = mA· cA·(TE-TA) + m*· cA·(TE-TA)
mB· cB·(TE-TB) = (mA+ m*) · cA·(TE-TA)
E quindi:
cB= (mA+ m*) · cA·(TE-TA) / mB· cB·(TE-TB)