Passaggi di stato

Procedimento: Abbiamo misurato con la bilancia (dopo aver fatto la tara del bicchiere) 120,96 g di ghiaccio tritato finemente; abbiamo 131e43b lanciato il programma Sampler; al termine dell'esecuzione del comando File-inizializza interfaccia abbiamo selezionato Configurazione-Ingressi analogici-Crea; nella finestra di configurazione che è comparsa abbiamo scelto ingresso 1, poi sensore di temperatura, range -30 +220 ^oC. Abbiamo poi confermato la scelta premendo OK. Successivamente abbiamo immerso per alcuni centimetri la sonda del sensore di temperatura, sorretta da una pinza, nel ghiaccio contenuto nel bicchiere. Quindi abbiamo acceso il riscaldatore elettrico sopra il quale era stato posato il bicchiere coperto da un foglio di alluminio. Abbiamo dato il comando Misure-Monitor, premuto Start, aspettato che la temperatura si stabilizzasse su 0 ^oC e premuto Stop. In seguito abbiamo dato il comando Misure-Automatico e premuto Start, attendendo fino a quando il ghiaccio si fosse completamente sciolto. Arrivati alla temperatura di ebollizione si è sollevato un po' il foglio di alluminio messo a copertura del bicchiere. Dopo circa 20 minuti abbiamo premuto Stop, staccato l'alimentazione al fornello elettrico e misurato nuovamente la massa dell'acqua. Abbiamo infine trascritto i dati della temperatura ogni 60 secondi.

Elaborazione dati:

C_ev = Q/m  (Calore di evaporazione = Calore / massa)

Massa evaporata = m₁ - m₂ = 120,96 - 103,1 = 17,86 g = Dm

Calore assorbito = t₂ - t₁ = 900 - 60 = 840 s = Dt

Variazione di temperatura = T₁ - T₂ = 100 - 3 = 97 ^oC = DT

Calorie ricevute per l'ebollizione = m₁ DT = 120,96 97 =11733,12 cal = Q

Calore ricevuto nell'unità di tempo = Q/Dt =11733,12/840 =13,968 cal/s = Q₁

Tempo in cui è avvenuta l'ebollizione = t₃ - t₂ = 1680 - 900 = 780 s = Dt_e

Calore assorbito per far evaporare la massa d'acqua Dm = Q₁ t_e = 13,968 780 = 10895,04 cal = Q₂

Calore latente di evaporazione = Q₂/Dm =10895,04/17,86= 610,02 cal/g = C_ev

Conclusioni e commenti: Per calcolare l'incertezza assoluta su C_ev sono state eseguite le seguenti operazioni:

I_R Dm = I_A Dm / Dm = 0,01 / 17,86 = 0,0006

I_R Q₂ = I_A Q₂ / Q₂ + I_A Dt_e / Dt_e = 1 / 13,968 + 1 / 780 = 0,072 + 0,013 = 0,085

I_R C_ev = I_R Dm + I_R Q₂ = 0,0006 + 0,085 = 0,086

I_A C_ev = I_R C_ev C_ev = 0,086 610,02 = 52,462 cal / g

Quindi C_ev viene (610,02 52,46) cal / g mentre il valore reale è 539 cal / g.

Per la costruzione del grafico, invece, è stata utilizzata un'incertezza su T (y) e su t (x) rispettivamente di 1 ^oC e di 1 s poiché non avevamo a disposizione niente per stabilirle con precisione. Il grafico non è corretto poiché dovremmo avere un segmento iniziale parallelo alla x con y = 0 ^oC (dato che nelle prime misure al variare del tempo avremmo dovuto ottenere una stessa y = 0 ^oC) seguito da una crescita lineare fino a terminare con un altro segmento parallelo alla x per il ristabilizzarsi della temperatura con y = 102 ^oC. Come è possibile notare dal grafico di queste tre parti solamente la terza risulta corretta. Il segmento iniziale con costante y = 0 ^oC non è presente nel grafico per un nostro errore: avevamo acceso il riscaldatore elettrico prima di dare il comando per registrare i dati e così, una volta avviato il programma, dopo meno di 60 secondi la temperatura è salita lasciando solamente una misura a 0 ^oC. Per il resto una consistente fonte di errore è sicuramente nella misura della massa alla fine dell'esperimento poiché è impossibile misurare la massa non appena scade il tempo stabilito di ebollizione e quindi, in quei seppur pochi secondi di intervallo, l'acqua continua ad evaporare.

Un corpo si può presentare sotto tre diversi stati: solido, liquido e aeriforme. Nello stato solido le molecole hanno legami molto forti difficili da spezzare e perciò in questo stato il corpo a sia volume che forma propria; nello stato liquido i legami tra le molecole non sono forti come nei solidi e, infatti, i liquidi presentano la caratteristica di avere un proprio volume ma non una propria forma poiché ogni liquido assume quella del recipiente in cui è contenuto; infine nello stato aeriforme i legami tra le molecole sono quasi inesistenti e i corpi gassosi non hanno né volume né forma propria. I passaggi di stato hanno nomi diversi a seconda delle condizioni del corpo sia di partenza che al termine: da solido a liquido si chiama fusione; da liquido ad aeriforme evaporazione; da aeriforme a liquido condensazione; da liquido a solido solidificazione; da solido a aeriforme sublimazione e da aeriforme a solido brinamento.

Il calore latente è legato all'ipotesi del "calorico". Secondo questa ipotesi si riteneva che il calore fornito durante il passaggio di stato , calore che non determinava alcun salto termico, rimanesse immagazzinato nel corpo in forma latente. Questo può essere di fusione e di evaporazione e in entrambi i casi si ottiene con il rapporto tra il calore fornito ad una sostanza e la massa di quella che subisce la fusione o l'evaporazione.

Nei passaggi di stato, durante il periodo nel quale nel corpo sono presenti due stati (per ora noi abbiamo sperimentato liquido- solido e liquido-aeriforme), la temperatura rimane costante (a 0 ^oC durante i processi di fusione e solidificazione e a 100 ^oC durante quelli di evaporazione e condensazione.

L'acqua ha un calore latente molto alto: questo spiega perché, anche a temperature molto basse, è difficile solidificare grandi masse d'acqua. Questa caratteristica, insieme a quella che il ghiaccio galleggia sull'acqua creando uno strato isolante,spiega perché non avviene il completo congelamento dei mari polari.

Gli esperimenti da noi svolti si sono effettuati utilizzando sostanze cristalline, ovvero quelle sostanze che, trovandosi allo stato solido, assumono forme spaziali geometriche regolari, poiché le sostanze amorfe fondono con caratteristiche diverse da quelle dei corpi cristallini. Infatti queste non presentano il fenomeno della stasi termica e non è possibile definire una temperatura di fusione, ma solo un intervallo di fusione. È grazie a questo, per esempio, che il vetro si può "soffiare" in uno stato di semifusione.

I sensori a termocoppia, utilizzati nell'esperimento, sono utilizzati per misurare la temperatura di un corpo. Sono costituiti da due fili metallici di materiale diverso saldati ad un estremo; quando questi si trovane a temperature diverse, nel circuito costituito dai due fili circola una debole corrente elettrica che è proporzionale alla differenza termica delle due estremità. Conoscendo dunque una delle temperature agli estremi, è possibile determinare l'altra misurando l'intensità della corrente. Uno dei maggiori vantaggi delle termocoppie è che, dopo aver opportunamente tarato lo strumento, il segnale di corrente prodotto può essere trasformato direttamente, come è stato utilizzato da noi nell'esperimento, in un segnale digitale di immediata lettura registrabile e memorizzabile su opportuni supporti magnetici.