Chimica Fisica Universita’ degli Studi dell’Insubria Calorimetria dario.bressanini@uninsubria.it http://scienze-como.uninsubria.it/bressanini

Calorimetria Che cosa succede quando scaldiamo un corpo? Questo aumenta la propria temperatura. Osserviamo anche il contrario: raffreddando un corpo questo diminuisce la propria temperatura. Fissata la quantità di calore scambiato, come posso sapere di quanto cambia la temperatura? Questa è la domanda cui la calorimetria vuole rispondere © Dario Bressanini

Calorimetria: Esperimento 1 Prendiamo un termometro, una pentola contenente un litro d’acqua e poniamola su un fornello. Misuriamo la temperatura iniziale dell’acqua e poi accendiamo il gas per un minuto. Spegniamo il gas e misuriamo la nuova temperatura. Ora prendiamo una pentola con una quantità doppia d’acqua, alla stessa temperatura iniziale, e manteniamo acceso il fornello per lo stesso tempo. La temperatura finale e’ inferiore. L’aumento di Temperatura dipende dalla quantita’ di sostanza che scaldiamo © Dario Bressanini

Domande da porsi… E se prendessimo un Kg, di una sostanza diversa? Olio ad esempio, oppure alcool ? E se ripetessimo l’esperimento partendo da acqua molto fredda? Diciamo a 5 °C ? Oppure da acqua già molto calda? 60 °C ad esempio. E se ripetessi l’esperimento in alta montagna o al mare? E cosa succede se l’acqua inizia a bollire? E se ci fosse la luna piena? E se avessi la cravatta rossa? E se l’esperimento lo avesse compiuto mio zio? E se invece di bruciare una candela intera, la divido in due e brucio due mezze candele contemporaneamente? © Dario Bressanini

Troviamo le Risposte… il DT e’ diverso il DT e’ diverso Eseguiamo l’esperimento 1 e troviamo che… il DT e’ diverso il DT quindi dipende dalla quantita’ di sostanza ma anche dal tipo Eseguiamo anche il secondo esperimento (diversa T iniziale) e il terzo, e troviamo che… il DT e’ diverso © Dario Bressanini

Costruiamo la teoria… Iniziamo a costruire matematicamente la calorimetria. Introduciamo una funzione che correli la temperatura al calore scambiato. Non preoccupiamoci per ora delle unita’ di misura Ci aspettiamo un grafico crescente… q T … ma non lineare … e il calore non e’ una funzione di stato … … meglio invertire gli assi © Dario Bressanini

Costruiamo la teoria NON stiamo cambiando l’esperimento q Consideriamo il calore come funzione della temperatura q = f(T). Se il grafico fosse rettilineo, dovrei avere una funzione lineare Il grafico reale non è rettilineo e C non è costante ma per piccoli intervalli di temperatura viene approssimata spesso ad una costante C e’ chiamata Capacita’ Termica e in generale dipende da T e p © Dario Bressanini

Capacita’ Termica La Capacita’ Termica e’ una proprieta’ di ogni sostanza La conoscenza dei valori di capacità termica di vari materiali, ha grandi applicazioni pratiche e tecnologiche. La Capacità Termica dipende dal processo La Capacità Termica dipende dalla quantità di sostanza Grande C, piccolo aumento di T per tanto calore scambiato © Dario Bressanini

Capacità Termiche Molari a 298 K Per ottenere un valore indipendente dalla quantità di sostanza, possiamo usare la Capacità Termica Molare Al 24 J K-1 mol-1 NaCl 50 J K-1 mol-1 SiO2 73 J K-1 mol-1 H2O(l) 75 J K-1 mol-1 H2O(g) 33 J K-1 mol-1 © Dario Bressanini

Capacità Termica e Calore Specifico Capacità Termica Specifica – Quantità di calore necessario per innalzare 1 grammo di sostanza di 1 °C Chiamata anche calore specifico (non più usato in chimica) L’acqua ha una capacità termica specifica enorme, rispetto ad altre sostanze comuni.

Caloria Una caloria è definita come la quantità di calore necessaria per innalzare 1 grammo di acqua pura di 1 °C Una Caloria, con la C maiuscola, di solito si usa per indicare il contenuto energetico dei cibi. E’ in realtà una Kilocaloria: 1 Caloria = 1 Kilocaloria = 1000 cal 4.184 J = 1 cal

Mistero Perché rischiamo di ustionarci con le patate bollite ma non con quelle fritte? Questo nonostante le patate fritte friggano ad una temperatura molto più elevata (l’olio all’ebollizione puo’ raggiungere anche i 250 °C) © Dario Bressanini

Elementare Watson Bollendo, la patata, già ricca d’acqua naturalmente, ne assorbe ulteriormente, e porta la sua temperatura a 100 °C. Data la grande capacità termica dell’acqua, anche dopo aver emanato una grande quantità di calore, la sua temperatura è scesa solo di pochi gradi. Le patate fritte invece, perdono parte della loro acqua naturale per evaporazione, dato che la temperatura di ebollizione dell’olio è molto superiore a quella dell’acqua. Se queste si riempissero d’olio bollente, sarebbero ustionanti. Fortunatamente però, friggendo, le patate formano una cuticola esterna parzialmente impermeabile all’olio. Questo permette a parte dell’acqua di rimanere all’interno della patata, che rimane così morbida internamente e croccante sulla superficie. © Dario Bressanini

Mistero Watson: Perché il clima marino invernale è mite? © Dario Bressanini

Elementare Watson I vari materiali hanno capacità termiche differenti. L’acqua ha una capacità termica insolitamente alta: questo significa che grandi quantità di calore portano ad un innalzamento modesto della temperatura. In altre parole l’acqua è un ottimo “serbatoio” di calore. Questo è il motivo per cui le località di mare hanno durante l’inverno un clima mediamente più mite di località continentali: il mare durante l’inverno cede lentamente l’energia immagazzinata durante i mesi caldi. © Dario Bressanini

Capacità Termica CV : Capacità Termica a volume costante Cp : Capacità Termica a pressione costante Grande C, piccolo aumento di T per tanto calore scambiato © Dario Bressanini

Calore Scambiato e Processi vari Finora abbiamo assunto che l’unico effetto di un assorbimento di calore da parte di un sistema sia l’innalzamento della temperatura. Esistono pero’ altre possibilita’ Reazioni Chimiche Cambiamenti di Fase. © Dario Bressanini

Quiz Dall’ebollizione, gli spaghetti ci mettono 8 minuti a cuocere a fuoco medio. Raddoppiando la quantità di gas, in quanti minuti sara’ pronto in tavola? Ancora 8 minuti, perchè la temperatura, arrivata a 100 °C, non aumenta più. © Dario Bressanini

Profilo di Calore Durante un cambiamento di fase, la temperatura rimane costante. Il calore fornito serve a rompere i legami molecolari © Dario Bressanini