TERMODINAMICA
EQUIVALENZA TRA CALORE E LAVORO
ESPERIENZA DI JOULE
Fulvia Ugolini (corso di fisica informatica)
La termodinamica studia le trasformazioni a cui si può sottoporre un sistema e che si manifestano con scambi di calore e lavoro tra il sistema e l’ambiente esterno. Per convenzione il calore ceduto al sistema ha segno positivo ed ha segno positivo il lavoro fatto dal sistema. CALORE: Forma di energia che fluisce da un corpo
ad un altro per effetto della differenza di temperatura, misurabile in
Joule. |
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Dalla definizione di calore e dal fatto che le diverse forme di energia sono completamente trasformabili l’una nell’altra, è supponibile un’equivalenza tra calore e lavoro meccanico.
Proprio allo scopo di dimostrare che una data quantità di lavoro meccanico è totalmente trasformabile in calore il fisico Joule, nel 1843, con un dispositivo chiamato mulinello di Joule , condusse un esperimento.
| In un cilindro avente pareti isolate termicamente (adiatermane) è contenuta una certa quantità d’acqua nella quale è immerso un albero a palette, collegato a due masse da una fune scorrevole su una puleggia. Se si lasciano libere di cadere e' possibile, con semplici considerazioni di meccanica, ricavare il lavoro compiuto dal sistema. E' anche possibile determinare il calore prodotto a causa della rotazione delle palette nell'acqua. Se con M indichiamo la massa dell’acqua, con c il suo calore specifico e con D(t) l’aumento di temperatura, potremo scrivere: L = jmcDt Dove j è il coefficiente di proporzionalità chiamato equivalente meccanico, al quale, dopo un primo esperimento condotto da Joule, risultò corrispondere un valore numerico pari a 4,177 J/cal; successivamente misure più precise hanno dato per j un valore riconosciuto in tutto il mondo.
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j = 4,186 J/cal |
L’
esperimento che abbiamo condotto in laboratorio non è stato effettuato
con un dispositivo uguale al mulinello di Joule. Era a nostra disposizione
un cilindro di rame contenente H2O, collegato ad un peso di
5Kg mediante un nastro di rame che avrebbe prodotto attrito; il cilindro
è stato poi fissato ad un tavolo di lavoro e ad un dispositivo dotato
di manovella e contagiri, che avrebbe permesso il ruotare del corpo e
il verificarsi dell’esperienza . |
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| Il cilindro riempito con 67ml di acqua era stato portato ad una temperatura inferiore a quella dell’ambiente, successivamente, rilevando e annotando con la massima precisione l’aumento di temperatura (a partire da 13°C) in relazione al tempo,è stato lasciato in un ambiente areato . Riportando in un grafico la temperatura in funzione del tempo abbiamo ottenuto la curva di assestamento. Quando l’ H2O ha raggiunto la temperatura ambiente, il cilindro è stato fissato al tavolo di lavoro, mediante una manovella si è prodotto un movimento circolare che, a sua volta, ha dato origine ad un progressivo aumento di temperatura. La variazione di temperatura dell’acqua contenuta, è stata causata dall’attrito prodotto dalla treccia di rame contro il cilindro ruotante. Sempre con la massima attenzione sono stati annotati i dati in relazione al tempo che riportati in grafico determinano la curva di riscaldamento. Quando il contagiri ha raggiunto un numero sufficiente di giri (n°340 in 11’ 57’’) è stato interrotto il movimento rotatorio del cilindro ed è stato preso nota dell’abbassamento di temperatura nel tempo (curva di raffreddamento). Si può concludere che è stato fatto lavoro e che da energia meccanica è stata prodotta energia termica. Utilizzando le formule per determinare il lavoro compiuto e la quantità di calore prodotta, si è cercato di arrivare allo stesso risultato raggiunto da Joule, ovvero che l’equivalente meccanico: La formula del lavoro L = F *S in questo caso risulta essere: L =n°*mg*2pr Q = cH2O*mH2O*Delta(t) contenuta nel cilindro; Delta(t) =differenza di temperatura). Il Delta(t) presente nella formula utilizzata per trovare il valore corrispondente alla quantità di calore, è stato ricavato utilizzando il grafico realizzato con i dati raccolti. Sono state tracciate le tangenti ai punti che, evidenziano il progressivo aumento iniziale di temperatura (da 13°C alla temperatura ambiente) e che evidenziano la progressiva diminuzione finale di temperatura (dai dati: da 24,8°C a 24°C); in seguito è stata tracciata una retta verticale che interseca le due tangenti e che passa per il punto medio della curva di riscaldamento. La differenza di temperatura Delta (t), si legge direttamente dal grafico in corrispondenza dei punti di intersezione della retta verticale con le tangenti . Eseguiti i calcoli abbiamo ottenuto: L/Q = 4,180 J/cal. Per misurare Delta(t) abbiamo fatto ricorso ad un metodo grafico che tiene conto delle dispersioni di calore. Grazie per l'attenzione. Mi aspetto suggerimenti o osservazioni sul metodo.
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