Chimica Fisica CalorimetriaCalorimetria Universita degli Studi dellInsubria...

Chimica FisicaChimica Fisica

CalorimetriaCalorimetriaCalorimetriaCalorimetria

Universita’ degli Studi dell’Insubria Universita’ degli Studi dell’Insubria

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© Dario Bressanini 2

CalorimetriaCalorimetria

Che cosa succede quando scaldiamo un Che cosa succede quando scaldiamo un corpo? Questo corpo? Questo aumentaaumenta la propria la propria temperaturatemperatura..

Osserviamo anche il contrario: Osserviamo anche il contrario: raffreddando un corpo questo raffreddando un corpo questo diminuiscediminuisce la la propria propria temperaturatemperatura..

Fissata la quantità di Fissata la quantità di calore scambiatocalore scambiato, , come posso sapere di come posso sapere di quanto cambia la quanto cambia la temperaturatemperatura? Questa è la domanda cui la ? Questa è la domanda cui la calorimetria vuole risponderecalorimetria vuole rispondere


Calorimetria: Esperimento 1Calorimetria: Esperimento 1

PPrendiamo un termometro, una rendiamo un termometro, una pentola contenente un litro pentola contenente un litro d’acqua e poniamola su un d’acqua e poniamola su un fornello. Misuriamo la fornello. Misuriamo la temperatura iniziale dell’acqua e temperatura iniziale dell’acqua e poi accendiamo il gas per un poi accendiamo il gas per un minuto. Spegniamo il gas e minuto. Spegniamo il gas e misuriamo la nuova temperatura. misuriamo la nuova temperatura. Ora prendiamo una pentola con Ora prendiamo una pentola con una quantità doppia d’acqua, alla una quantità doppia d’acqua, alla stessa temperatura iniziale, e stessa temperatura iniziale, e manteniamo acceso il fornello manteniamo acceso il fornello per lo stesso tempo.per lo stesso tempo.LLa temperatura finale a temperatura finale e’e’ inferiore.inferiore. L’aumento di Temperatura dipende L’aumento di Temperatura dipende

dalla quantita’ di sostanza che dalla quantita’ di sostanza che scaldiamoscaldiamo


Domande da porsi…Domande da porsi…

1.1. E se prendE se prendessimoessimo un un KgKg, di una sostanza diversa? , di una sostanza diversa? Olio ad esempio, oppure alcoolOlio ad esempio, oppure alcool ? ?

2.2. E se ripetessimo l’esperimento partendo da acqua E se ripetessimo l’esperimento partendo da acqua molto fredda? Diciamo a 5 molto fredda? Diciamo a 5 °C °C ? Oppure da acqua ? Oppure da acqua già molto calda? 60 già molto calda? 60 °C°C ad esempio ad esempio..

3.3. E se ripetessi l’esperimento in alta montagnaE se ripetessi l’esperimento in alta montagna o al o al maremare??

4.4. E cosa succede seE cosa succede se l’acqual’acqua inizia a bollire?inizia a bollire?

5.5. E se ci fosse la luna piena? E se avessi la cravatta E se ci fosse la luna piena? E se avessi la cravatta rossa? E se l’esperimento lo avesse compiuto mio rossa? E se l’esperimento lo avesse compiuto mio zio? E se invece di bruciare una candela intera, la zio? E se invece di bruciare una candela intera, la divido in due e brucio due mezze candele divido in due e brucio due mezze candele contemporaneamente? contemporaneamente?


Troviamo le Risposte…Troviamo le Risposte…

1.1. Eseguiamo l’esperimento 1 e troviamo che…Eseguiamo l’esperimento 1 e troviamo che…

il il T e’ diversoT e’ diverso

il il T quindi dipende T quindi dipende dalla quantita’ di dalla quantita’ di sostanza ma anche sostanza ma anche dal tipodal tipo

2.2. Eseguiamo anche il secondo Eseguiamo anche il secondo esperimento esperimento (diversa T iniziale)(diversa T iniziale) e il e il terzo, e troviamo che…terzo, e troviamo che… il il T e’ diversoT e’ diverso


Costruiamo la teoria…Costruiamo la teoria…

Iniziamo a costruire matematicamente la Iniziamo a costruire matematicamente la calorimetria.calorimetria.

Introduciamo una funzione che correli la Introduciamo una funzione che correli la temperatura al calore scambiato.temperatura al calore scambiato.

Non preoccupiamoci per Non preoccupiamoci per ora delle unita’ di misuraora delle unita’ di misura

qq

TT

Ci aspettiamo un grafico Ci aspettiamo un grafico crescente… crescente…

… … ma non linearema non lineare

… … e il calore non e’ una e il calore non e’ una funzione di stato …funzione di stato …

… … meglio invertire gli assimeglio invertire gli assi


Costruiamo la teoriaCostruiamo la teoria

NONNON stiamo cambiando stiamo cambiando l’esperimentol’esperimento

TT

qq Consideriamo il calore come Consideriamo il calore come

funzione della temperatura funzione della temperatura qq = = ff((TT)). .

TCq TCq Se il grafico fosse rettilineo, dovrei Se il grafico fosse rettilineo, dovrei

avere una funzione lineareavere una funzione lineare

Il grafico reale non è rettilineo e C non è costanteIl grafico reale non è rettilineo e C non è costante ma per piccoli intervalli di temperatura viene ma per piccoli intervalli di temperatura viene approssimata spesso ad una costanteapprossimata spesso ad una costante

CC e’ chiamata e’ chiamata Capacita’ TermicaCapacita’ Termica e e in generale dipende da in generale dipende da TT e e pp

),( TpCC ),( TpCC


Capacita’ TermicaCapacita’ Termica

La Capacita’ Termica e’ una proprieta’ di La Capacita’ Termica e’ una proprieta’ di ogni sostanza ogni sostanza

La conoscenza dei valori di capacità termica La conoscenza dei valori di capacità termica di vari materiali, ha grandi applicazioni di vari materiali, ha grandi applicazioni pratiche e tecnologiche.pratiche e tecnologiche.

La Capacità Termica dipende dal processoLa Capacità Termica dipende dal processo La Capacità Termica dipende dalla quantità La Capacità Termica dipende dalla quantità

di sostanzadi sostanza Grande C, piccolo aumento di T per tanto Grande C, piccolo aumento di T per tanto

calore scambiatocalore scambiato


Capacità Termiche Molari a 298 Capacità Termiche Molari a 298 KK

AlAl 2424 J KJ K-1 -1 molmol-1-1

NaClNaCl 5050 J KJ K-1 -1 molmol-1-1 SiOSiO22 7373 J KJ K-1 -1 molmol-1-1

HH22OO(l)(l) 7575 J KJ K-1 -1 molmol-1-1

HH22OO(g)(g) 3333 J KJ K-1 -1 molmol-1-1

Per ottenere un valore indipendente dalla quantità Per ottenere un valore indipendente dalla quantità di sostanza, possiamo usare la Capacità Termica di sostanza, possiamo usare la Capacità Termica MolareMolare

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Capacità Termica e Calore Capacità Termica e Calore SpecificoSpecifico

Capacità Termica SpecificaCapacità Termica Specifica – Quantità di – Quantità di calore necessario per innalzare 1 grammo calore necessario per innalzare 1 grammo di sostanza di 1 °Cdi sostanza di 1 °C

Chiamata anche Chiamata anche calore specificocalore specifico (non più (non più usato in chimica)usato in chimica)

L’acqua ha una capacità termica specifica L’acqua ha una capacità termica specifica enorme, rispetto ad altre sostanze comuni.enorme, rispetto ad altre sostanze comuni.

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CaloriaCaloria

Una Una caloriacaloria è definita come la quantità è definita come la quantità di calore necessaria per innalzare 1 di calore necessaria per innalzare 1 grammo di acqua pura di 1 °Cgrammo di acqua pura di 1 °C

Una Una CCaloriaaloria, con la , con la CC maiuscola, di maiuscola, di solito si usa per indicare il contenuto solito si usa per indicare il contenuto energetico dei cibi. E’ in realtà una energetico dei cibi. E’ in realtà una Kilocaloria:Kilocaloria: 1 Caloria = 1 Kilocaloria = 1000 cal1 Caloria = 1 Kilocaloria = 1000 cal 4.184 J = 1 cal4.184 J = 1 cal


MisteroMistero

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


Elementare WatsonElementare Watson

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


MisteroMistero

Perché il clima marino invernale è mite?Perché il clima marino invernale è mite?

Watson:Watson:


Elementare WatsonElementare Watson

I vari materiali hanno capacità termiche differenti. I vari materiali hanno capacità termiche differenti.

L’acqua ha una capacità termica insolitamente L’acqua ha una capacità termica insolitamente

alta: questo significa che grandi quantità di calore alta: questo significa che grandi quantità di calore

portano ad un innalzamento modesto della portano ad un innalzamento modesto della

temperatura. In altre parole l’acqua è un ottimo temperatura. In altre parole l’acqua è un ottimo

“serbatoio” di calore. Questo è il motivo per cui le “serbatoio” di calore. Questo è il motivo per cui le

località di mare hanno durante l’inverno un clima località di mare hanno durante l’inverno un clima

mediamente più mite di località continentali: il mediamente più mite di località continentali: il

mare durante l’inverno cede lentamente l’energia mare durante l’inverno cede lentamente l’energia

immagazzinata durante i mesi caldi.immagazzinata durante i mesi caldi.


Capacità TermicaCapacità Termica

CCVV : : Capacità Termica a volume costanteCapacità Termica a volume costante

CCpp : : Capacità Termica a pressione Capacità Termica a pressione

costantecostante

Grande C, piccolo aumento di T per tanto Grande C, piccolo aumento di T per tanto calore scambiatocalore scambiato

TCq TCq


Calore Scambiato e Processi variCalore Scambiato e Processi vari

Finora abbiamo assunto che l’unico effetto Finora abbiamo assunto che l’unico effetto di un assorbimento di calore da parte di un di un assorbimento di calore da parte di un sistema sia l’innalzamento della sistema sia l’innalzamento della temperatura.temperatura.

Esistono pero’ altre possibilita’Esistono pero’ altre possibilita’ Reazioni ChimicheReazioni Chimiche Cambiamenti di Fase.Cambiamenti di Fase.


QuizQuiz

Dall’ebollizione, gli Dall’ebollizione, gli spaghetti ci mettono 8 spaghetti ci mettono 8 minuti a cuocere a fuoco minuti a cuocere a fuoco medio.medio.Raddoppiando la quantità Raddoppiando la quantità di gas, in quanti minuti di gas, in quanti minuti sara’ pronto in tavola?sara’ pronto in tavola?

Ancora 8 minuti, perchè Ancora 8 minuti, perchè la temperatura, arrivata la temperatura, arrivata a 100 °C, non aumenta a 100 °C, non aumenta più.più.


Profilo di CaloreProfilo di Calore

Durante un Durante un cambiamentcambiamento di fase, la o di fase, la temperatura temperatura rimane rimane costante.costante.

Il calore Il calore fornito serve fornito serve a rompere i a rompere i legami legami molecolarimolecolari

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