Relazione di fisica sull'energia termica

L'ultimo argomento trattato in fisica riguarda l'energia termica. Per affrontarlo abbiamo condotto un esperimento allo scopo di ricavare la relazione che sussiste tra tale grandezza e la variazione di temperatura che essa produce su un corpo.

Le grandezze in gioco in questo esperimento sono:

L'energia termica (Q), misurata in unità arbitrarie (u.a.); poiché le riflessioni sull'unità di misura si possono fare solo dopo aver svolto l'esperimento, abbiamo dovuto trovare una grandezza facile da misurare e con qualche attinenza con la nostra. Una può essere il tempo (t), perché abbiamo capito che sono direttamente proporzionali attraverso alcune considerazioni. Infatti mantenendo costanti tutte le altre grandezze si può pensare che all'aumentare del tempo aumenta anche l'energia termica introdotta, quindi con tempo doppio avremo energia termica doppia.

La temperatura (T), misurata in gradi centigradi (°C);

L'assunzione dei dati si è svolta attraverso il computer che riesce ad ottenere misurazioni precise eliminando di molto gli errori.

L'apparato strumentario è formato da :

n° 3 vasi Dewar ; il vaso Dewar è uno speciale contenitore termo-isolato, ossia che isola termicamente l'ambiente interno da quello esterno. E' costituito da un vaso di plastica al cui interno è inserito un contenitore di vetro. Nello spazio tra i due recipienti è stato praticato il vuoto; inoltre la parte interna del primo e quella esterna del secondo sono rivestite da una vernice riflettente. Tutti questi accorgimenti sono stati presi per far si che il calore non si disperda. Sul coperchio del vaso ci sono due boccole in cui sono inseriti degli elettrodi. Al loro termine ha posto una resistenza, ossia un filetto di nichelcromo in cui l'energia elettrica si trasforma in energia termica, seguendo lo stesso principio delle lampadine. Al centro del coperchio c'è un'apertura ricoperta da una guaina di plastica in cui verranno introdotte le sonde. Il vaso Dewar si completa con l'inserimento di un agitatore, che deve essere sempre mantenuto in moto, poiché grazie a questo strumento si può distribuire l'energia termica all'interno del contenitore.

n° 1 generatore, che produce energia elettrica. Essa viene trasportata al vaso Dewar attraverso dei fili che entrano nelle boccole presenti sul coperchio del primo.

n° 3 sonde, che inserite nell'apertura centrale del vaso Dewar rilevano la temperatura presente in esso e la trasmettono al computer.

900 g di acqua; se ne inseriscono 200 g nel primo vaso, 300 g nel secondo e 400 g nel terzo.

Disegno dell'apparato strumentale

	GENERATORE

DESCRIZIONE DELL'ESPERIMENTO

Per prima cosa bisogna far si che le sonde misurino la temperatura allo stesso modo e come un termometro normale. Per far ciò si collegano al computer e si mettono in un recipiente riempito d'acqua assieme ad un termometro normale. Se il valore contrassegnato su quest'ultimo corrisponde a quello riportato dal calcolatore, allora le sonde vanno bene. Se invece danno misure diverse, allora bisogna ridare al computer una scala su cui basarsi. Sapendo che l'acqua si solidifica a 0 gradi, si inseriscono le sonde in un recipiente contenente del ghiaccio e si dice al computer la temperatura. Lo stesso procedimento si fa mettendole in una pentola piena di acqua che bolle, costatando, però, che la temperatura è di 100 gradi.

In seguito si versa l'acqua nei tre vasi Dewar, si collegano i contenitori al generatore e poi si inseriscono le sonde attraverso le aperture dei coperchi. Si accende il computer e il generatore, facendo si che l'energia elettrica prodotta si mantenga costante per tutto l'esperimento.

Quest'ultima viene trasportata attraverso i cavi, negli elettrodi del vaso Dewar. In seguito gli elettrodi la trasferiscono alla resistenza, che mano a mano si scalda producendo energia termica. Essa viene proata all'interno del vaso attraverso gli agitatori, mantenuti sempre in moto da tre comni. Le sonde misurano la temperatura dell'acqua tre volte ogni 10 secondi e trasferiscono tali misure al computer.

PRESENTAZIONE E COMMENTO DEI DATI OTTENUTI

L'esperimento è durato circa 20 minuti, allo scadere del tempo il calcolatore aveva registrato 4 colonne di dati: l'energia termica e le tre temperature. Ogni studente ha poi provveduto a calcolare la variazione di temperatura, che si ottiene sottraendo al valore attuale il valore iniziale. (* nelle ine seguenti è riportato un tratto di tale tabella).

Osservando le colonne dell'energia termica e quelle delle variazioni di temperatura si può notare che dipendono in modo diretto, poiché all'aumentare di una aumentano anche le altre.

Abbiamo pensato quindi di calcolare il rapporto ( C ) fra tali grandezze e abbiamo notato che, tenendo conto degli errori ed eliminando i primi dati evidentemente sbagliati, l'energia termica trasmessa ad un corpo e la variazione di temperatura da esse prodotta sono direttamente proporzionali, perché all'aumentare di una aumenta anche l'altra e il loro rapporto è costante. Quindi:

C = Q/DT

E perciò

Q = C * DT

Si può poi notare che all'aumentare della massa aumenta anche C e che quindi dipendono in modo diretto. Abbiamo così calcolato il Cmedio di ogni colonna di C, facendo la somma di tutti quelli che si possono considerare costanti e dividendola per il numero totale dei C. In seguito abbiamo fatto il rapporto fra C e la massa.

Si può così affermare che C e la massa sono direttamente proporzionali perché all'aumentare di uno aumenta anche l'altra e il loro rapporto (c) è costante. Quindi:

c = C/M

e perciò

C = c * M

Si può ancora osservare che

Q = c * M * DT

OSSERVAZIONI

In seguito abbiamo definito sia C che c:

C è la capacità termica di un corpo, ossia la capacità di assorbire energia termica; infatti più è grande, più è piccola la variazione di temperatura, viceversa più è piccolo più è grande la variazione di temperatura.

C è il calore specifico di un corpo, ossia la quantità di energia termica necessaria affinché 1 grammo di un corpo vari la sua temperatura di un grado.

L'unità di misura dell'energia termica è la caloria, che viene definita come quantità di energia termica necessaria perché 1 grammo d'acqua alzi la sua temperatura da 14,5° a 15,5°. Viene preso in considerazione tale elemento perché è molto comune, infatti la scala dei c si basa sul suo calore specifico, che per definizione è 1. Nella tabella sopra riportata non viene confermato ciò solo perché l'energia termica è stata misurata in secondi, quindi se tutto venisse calcolato in calorie c sarebbe, nei limiti degli errori, uguale a uno. Per trasformare l'unità di misura di Q in questa si può prendere in considerazione una sola riga della tabella. Poi si moltiplica ogni DT per la sua massa e per il calore specifico trovando Q calcolato in calorie. Per trovare gli altri si divide tale risultato per il tempo (Q calcolato in secondi) trovando così le calorie che vengono trasmesse all'acqua ogni secondo. Il risultato dovrebbe venire uguale nei tre casi determinando così il comportamento del riscaldatore. Infine si moltiplica tale numero per il tempo preso in considerazione individuando così quanta energia termica è stata trasmessa in quel momento all'acqua.