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fisica:strumenti:macchinadicallender

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LAB2GO Scienza

Macchina di Callendar

Descrizione

La macchina di Callendar (termoergometro) nasce con lo scopo di misurare l'equivalente meccanico della caloria, analogamente al mulinello di Joule. La struttura dell’apparecchio è costituita da un albero fissato ad un cilindro calorimetrico cavo di ottone, affinché venga riempito con dell'acqua. Sulla superficie esterna del cilindro viene avvolto per uno o due giri un nastro di rame a cui è appeso un grave (per es. di massa 5 kg). L'altra estremità del nastro viene agganciata ad un dinamometro o ad una molla con costante elastica adeguata al carico. All' albero è applicata una manovella che ci permette di avvolgere il nastro e, continuando a girarla, di alzare il grave e di mantenerlo ad altezza costante. In questo modo la forza peso esercitata dal grave fa sì che la fune scorrendo sul cilindro produca attrito radente. In quest'ultimo è inserito un termometro a contatto con l'acqua per poter registrare la variazione di temperatura $ΔT$, derivata dal calore sviluppato dall'attrito. Il tutto è fissato ad un tavolo da un morsetto.

In termini fisici: vogliamo dimostrare che il lavoro meccanico $L$ è uguale al calore $Q$, o meglio esiste una proporzionalità la cui costante è proprio l'equivalente meccanico del calore: ${\frac {L}{Q}}=costante$

Il lavoro compiuto è $L = F·s$ mentre il calore scambiato $Q = mcΔT$ → $F⋅s = mcΔT$;

$F$ è la forza peso del grave, $F = mg$ cioè $F = 5kg × 9,8 m/s² = 49N$;

$s$ in questo caso è $n$ (numero di giri) $× 2πr$ (circonferenza della fune attorno al cilindro) questo perché è come se ad ogni giro di manovella, stessimo alzando il grave di un'altezza pari appunto alla circonferenza della fune attorno al cilindro.

Per quanto riguarda il calore $Q = mcΔT$, $m$ è la massa d'acqua che possiamo ricavare: $m = dV$, $$V = 5cl = 5 × 10^-2dm³ → m = 1kg/dm³ × 10^-2 = 5 × 10^-2kg$$

In conclusione quindi la formula finale è: $mgn2πr = mcΔT$. sapendo che la circonferenza è 15cm, e volendo un $ΔT = 1°C$, possiamo conoscere il numero minimo di giri da fare per ottenere un effetto apprezzabile: $$n = (mcΔT)/(mg2πr) → n = (0.05kg × 4186j/kg⋅°C × 1°C)/(49N × 0.15m) = 28.4$$

Quindi per aumentare di 1°C la temperatura bisogna fare almeno una trentina di giri.

Immagine da Campustore
Immagine daSeieditrice

Esperienze

Esperienze possibili Descrizione
Equivalente meccanico della caloria1) Riempire d'acqua la bobina e tapparla con l'apposito tappo cavo in cui è inserito il termometro. 2) Fissare l'apparecchio ad un tavolo o ad una qualsiasi base stabile. 3) Avvolgere la fune e fissare il grave. 4) Leggere la temperatura iniziale $T_i$ prima di cominciare l'esperimento. 5) Cominciare a girare la manovella facendo attenzione che il grave rimanga alla stessa altezza raggiunta dopo i primi giri. 6) Dopo un numero $n$ di giri (almeno 30) rilevare la temperatura finale $T_f$.

Sitografia

Link Descrizione
YouTubeVideo sull'esperienza del termoergometro realizzato dall'IIS Francesco Filelfo
UniPATrasformazione del lavoro in calore
Youtube Video sulla teoria dell'esperienza di Joule (mulinello di Joule) a cura del Politecnico di Milano
CampustoreImmagine di Macchina di Callendar
SeieditriceImmagine di Macchina di Callendar


fisica/strumenti/macchinadicallender.txt · Ultima modifica: 2021/12/24 14:55 da qcadmin