Il Calorimetro

Cos'è

Il calorimetro (dal latino calor e metrum, calore e metro) è uno strumento che permette di misurare il flusso di calore durante una trasformazione, come calori specifici, calori latenti di fusione o ebollizione e calori di reazione. [1]

disegno calorimetro; indicati il termometro, vaso, contenitore isolante, sostanza

Com'è formato

È un contenitore riempito normalmente con acqua. Le pareti del contenitore sono adiabatiche (dal greco ἀδιάβατος, “invalicabile”), ossia per definizione impediscono che vi siano scambi di calore tra il sistema (costituito dal calorimetro e tutto ciò che vi è dentro) e l’ambiente circostante, un po’ come le pareti del thermos per il caffè. [1]

Come funziona

Per misurare il calore specifico di una certa sostanza con il calorimetro bisogna procurarsi un campione della sostanza stessa e riscaldarlo, lo inseriamo poi nel calorimetro immergendolo in acqua, della quale conosciamo la temperatura iniziale.

In accordo col principio base della calorimetria, sappiamo bene che, quando vengono messi a contatto termico due corpi con differenti temperature, c’è un flusso di calore dal corpo a temperatura più alta verso quello a temperatura più bassa. Ed è esattamente ciò che accade all’interno del calorimetro: il corpo caldo cede parte del proprio calore all’acqua, di conseguenza il campione si raffredda e l’acqua si riscalda.

A un certo punto il flusso di calore si interrompe, e ciò avviene nel momento in cui il campione e l’acqua hanno raggiunto la stessa temperatura, detta temperatura di equilibrio. Ponendo un termometro a contatto con l’acqua siamo in grado di misurare tale temperatura, ottenendo così un altro dato utile per determinare il calore specifico di suddetta sostanza. Il calore ceduto dal campione deve essere stato completamente assorbito dall’acqua, se ammettiamo che non vi sia stata alcuna dispersione dato le pareti adiabatiche.

Possiamo quindi partire dalla ben nota relazione della calorimetria per scambi adiabatici:

\begin{equation*} Q_{ass} = -Q_{ced} \end{equation*}

Da cui per sostituzione si arriva a:

\begin{equation*} c_am_a(T_e-T_a)=-c_om_o(T_e-T_o)\end{equation*}

$c_a$ e $c_o$ sono i calori specifici dell’acqua e dell’oggetto ivi immerso.

$m_a$ e $m_o$ sono le rispettive masse.

 

$T_a$ e $T_o$ sono  le temperature iniziali dell’acqua e dell’oggetto prima che quest’ultimo venisse messo nel calorimetro.

 

$T_e$ è la temperatura di equilibrio, che di fatto è la temperatura finale sia dell’acqua sia del corpo immerso.

Da qui si può determinare il calore specifico Co della sostanza sotto esame ricavando la formula:

\begin{equation*} c_o=\frac{c_am_a(T_e-T_a)}{m_o(T_o-T_e)}\end{equation*}  [1]

Alcuni esempi

Vaso di Dewar

Un vaso di Dewar è un contenitore che sfrutta il vuoto per mantenere il contenuto interno isolato dall’ambiente esterno. Il vuoto infatti garantisce un isolamento termico molto efficace: esso infatti non può condurre calore per conduzione e convezione, e per minimizzare l’irraggiamento basta applicare sulle superfici un materiale riflettente. [2]

Calorimetro ad acqua

Il calorimetro ad acqua (o delle mescolanze, o di Regnault) è costituito da un vaso di Dewar in cui viene versata dell’acqua e, successivamente, la sostanza in esame; all’interno del calorimetro sono posti un termometro e un agitatore (strumento il cui unico scopo è quello di mescolare). Il calore specifico della sostanza si ricava dalla variazione di temperatura dell’acqua. Bisogna però ricordare che il calorimetro ha una sua capacità termica, per ovviare a questo problema è necessario introdurre un equivalente in acqua del calorimetro, che tenga conto del calore assorbito o ceduto da esso durante la misura. [3]

Calorimetro a ghiaccio

Il calorimetro a ghiaccio (o di Lavoisier e Laplace che lo usarono nell’inverno del 1782-83, per determinare i processi termici in varie reazioni chimiche) è un calorimetro isotermico, ovvero formato da una miscela di due fasi di una stessa sostanza, è composto da tre recipienti concentrici: nel più interno si colloca il corpo in esame; in quello intermedio il ghiaccio; in quello più esterno si colloca dell’altro ghiaccio che ha la funzione di isolante, evitando che il calore dell’ambiente esterno fonda il ghiaccio del recipiente intermedio. In base alla quantità d’acqua che fuoriesce dal recipiente intermedio mediante un apposito condotto si può misurare il calore fornito dal corpo nel contenitore più interno, ed eventualmente calcolarne il calore specifico. [3]