Esperimento di Joule

Come fare

Per eseguire l'esperienza

1. impostare:

• la massa delle due sfere sospese in chilogrammi

• la massa d'acqua contenuta nel  calorimetro (comprende la massa equivalente in acqua del calorimetro) in grammi

• agendo sui rispettivi cursori o inserendo i numeri nelle caselle corrispondenti

2. premendo il tasto "AVVIA", gli oggetti sospesi si libereranno e si permetterà loro di cadere sotto l'azione della forza di gravità;

3. a fine caduta il termometro segnerà una determinata temperatura, maggiore di quella iniziale;

4. per far cadere di nuovo le masse è sufficiente premere di nuovo il pulsante "AVVIA";

5. per reimpostare il tutto alle condizioni iniziali occorre premere sul pulsante "RESET";

 

ATTIVITA'1

produrre un grafico: temperatura in funzione del lavoro

• fissa la massa dell'acqua Ma e delle sfere Ms

• registra la temperatura iniziale

• fai cadere le sfere

• Calcola il lavoro fatto: 2*Ms*g*2 (ci sono due sfere che cadono da 2 metri)

• registra la nuova temperatura

• ripeti più volte

• Riporta i risultati in una tabella e fai un grafico.

• Vedi un esempio QUI

 

ATTIVITA'2

1. registrare la temperatura iniziale T_i

2. far cadere i pesi n volte

3. registrare la temperatura finale T_f

4. calcolare il lavoro fatto :L= 2mgh* n            ( le masse che cadono sono 2 e l'altezza h=2m)

5. calcolare il calore prodotto: Q=m_a(T_f-T_i)*c  (c: calore specifico dell'acqua =1cal/(g °C), m_a=massa dell'acqua + massa equivalente in acqua del calorimetro)

6. calcolare j=L/Q

7. Vedi un esempio QUI

 

NOTA

sensibilità del termometro 0.1 C

lunghezza della caduta 2 m ±1 cm

massa dei pesi in chilogrammi
massa acqua in grammi

 

 

 

Teoria cenni introdutivi

Il mulinello di Joule, detto anche mulinello a palette, è lo strumento con cui il fisico inglese James Prescott Joule, nel 1850, determinò l'equivalente meccanico del calore.

Una ricostruzione dell'apparecchiatura usata da Joule

Si tratta sostanzialmente di un particolare tipo di calorimetro contenente acqua; le palette sono soggette ad una coppia di forze dovuta alla caduta di due grossi pesi, liberi di muoversi sotto l'effetto dell'accelerazione di gravità.

Si instaura così un regime viscoso tra le palette del mulinello e la struttura del mulinello stesso, con conseguente creazione di ingenti forze viscose. Come conseguenza di questo processo, il sistema costituito dai pesi più il mulinello stesso raggiunge rapidamente una velocità di regime, così che si ha un aumento della temperatura dell'acqua e la caduta rallentata dei pesi. Quando i pesi hanno raggiunto il suolo, si misura l'innalzamento di temperatura dell'acqua contenuta nel calorimetro, ricavando la variazione di energia interna derivante dall'azione meccanica del mulinello.

Si conclude quindi, a fronte dell'innalzamento di temperatura, che tutto è avvenuto come se si fosse somministrato calore (cosa peraltro impossibile perché il calorimetro è isolato termicamente) ed è quindi possibile determinare il rapporto tra l'energia meccanica immessa e la variazione di energia interna misurata in calorie intesa come calore fittizio introdotto, e dato dal prodotto della massa d'acqua per l'innalzamento di temperatura.

Per mezzo di tale esperimento, Joule determinò un valore dell'equivalente meccanico del calore pari a 4,41 J/cal, valore di straordinaria precisione per i tempi.  Il valore dell'equivalente meccanico della caloria oggi accettato è di 4,186 J/cal

 

La quantità di calore prodotta è data da Q= C ( Tf - Ti ) cal, in cui Tf - Ti è la differenza fra la temperatura finale e quella iniziale e C è la capacità termica totale del sistema, data da

Ma*ca + Mr*cr

in cui Ma, ca e Mr , cr sono rispettivamente le masse e i calori specifici dell’acqua distillata e del calorimetro.

 

vengono proposti alcuni problemi