3B Scientific Heat Equivalent Apparatus - Manual (Page 15)

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R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C R R R R R / k / k / k / k / k Ω Ω Ω Ω Ω T T T T T / / / / / °C C C C C
7,86 14,97 6,78 18,19 5,70 22,05 4,62 26,84 3,54 33,10
7,84 15,03 6,76 18,26 5,68 22,13 4,60 26,94 3,52 33,24
7,82 15,08 6,74 18,32 5,66 22,21 4,58 27,04 3,50 33,38
7,80 15,14 6,72 18,39 5,64 22,29 4,56 27,14 3,48 33,51
7,78 15,19 6,70 18,45 5,62 22,37 4,54 27,24 3,46 33,65
7,76 15,25 6,68 18,52 5,60 22,45 4,52 27,35 3,44 33,79
7,74 15,31 6,66 18,58 5,58 22,53 4,50 27,45 3,42 33,93
7,72 15,36 6,64 18,65 5,56 22,61 4,48 27,55 3,40 34,07
7,70 15,42 6,62 18,72 5,54 22,69 4,46 27,66 3,38 34,22
7,68 15,47 6,60 18,78 5,52 22,77 4,44 27,76 3,36 34,36
Correlazione tra resistenza e temperatura nel sensore di temperatura
serito il sensore di temperatura e viene avvolta la
corda di attrito intorno al cilindro (cfr. paragrafo
3). Dopo alcuni minuti, che dovrebbero permet-
tere una distribuzione omogenea della tempera-
tura, la resistenza del sensore di temperatura è
pari a R
1
= 8,00 k
Ω
(corrispondenti a T
1
= 14,60 °C
in base all’equazione 1).
•
Dopo avere verificato l’azzeramento del contato-
re viene avviato l’esperimento, ruotando la ma-
novella e sollevando in tal modo il peso principa-
le dal pavimento. Ora il contrappeso si abbassa
sul pavimento e in tal modo viene leggermente
tolto tensionamento alla corda di attrito e viene
prodotto meno attrito sul cilindro. Il peso princi-
pale mantiene ora la sua altezza, che dovrebbe
rimanere la stessa durante tutto l’esperimento.
•
Dopo n = 460 giri l’esperimento viene terminato
e viene letto il valore della resistenza: R
2
= 3,99
k
Ω
(T
2
= 30,26 °C). Poiché la temperatura aumenta
ancora per poco, subito dopo la fine dell’esperi-
mento (omogeneizzazione della distribuzione
della temperatura), viene annotato come valore
misurato il valore minimo della resistenza, che
viene raggiunto pochi secondi dopo la fine del-
l’esperimento. Dopo di che la resistenza torna ad
aumentare, poiché in seguito allo scambio di ca-
lore con l’ambiente scende la temperatura del
cilindro.
4.1.2 Analisi dell’esperimento
•
Il lavoro W è definito come il prodotto della forza
F e del percorso s
W = Fs
(2)
•
In caso di attrito agisce la forza
F = m
A
g (3)
(g è l’accelerazione terrestre) lungo il percorso
s = F n
π
D
r
(4)
•
Inserendo le equazioni 3 e 4 nella 2 si ottiene:
W = m
A
gn
π
D
R
= 5,22 x 9,81
x 460 x 3,1416 x 0,04575 Nm = 3386 Nm (5)
•
Il calore immagazzinato nel cilindro di attrito
∆
Q
si ottiene dalla differenza di temperatura (T
2
– T
1
)
e della capacità termica specifica indicata nel
paragrafo 2:
∆
Q = c
A
m
A
(T
2
– T
1
) = 0,86 x 0,249
x (30,26 – 14,60) kJ = 3353 J (6)
•
In questo esempio la deviazione tra il lavoro mec-
canico e il calore è pari solamente a circa l’1%. A
causa di tolleranze inevitabili presenti nella com-
posizione del materiale (l’alluminio puro è estre-
mamente morbido ed è difficilmente lavorabile
meccanicamente, pertanto utilizzare sempre le-
ghe) la capacità termica specifica può tuttavia
oscillare notevolmente. Deve essere determinata
singolarmente per ogni cilindro di attrito. Ciò può
essere eseguito nel modo più semplice mediante
il riscaldamento elettrico e presupponendo l’equi-
valenza tra valore ed energia elettrica.
4.2 Conversione dell’energia elettrica in calore
4.2.1 Esecuzione dell’esperimento
•
Dopo il raffreddamento del cilindro di attrito,
quest’ultimo viene avvitato al supporto (stesse
condizioni dell’esperimento relativo all’attrito) e
viene inserito il sensore di temperatura. Dopo al-
cuni minuti, che dovrebbero permettere una di-
stribuzione omogenea della temperatura, la resi-
stenza del sensore di temperatura è pari a
R
1
= 8,00 k
Ω
(corrispondenti a T
1
= 14,60 °C in
base all’equazione 1).
•
Ora l’alimentatore precedentemente impostato
(ved. paragrafo 3) viene collegato all’elemento
termico e viene avviato un cronometro. Annotare
tensione e corrente (display sull’alternatore):
U = 11,0 V,
Ι
= 0,510 A
•
Dopo t = 600 s l’esperimento viene terminato e
viene letto il valore della resistenza:
R
2
= 3,98 k
Ω
(T
2
= 30,32 °C).
4.2.2 Analisi dell’esperimento
•
L’energia elettrica E è il prodotto ottenuto dalla
potenza P e dal tempo t. A sua volta la potenza è
il prodotto derivante da tensione e corrente. Per-
tanto vale:
E U T = = 11,0 x 0,512 x 600 = 3379Ws I (7)
•
In questo esperimento il calore alimentato è pari a
∆
Q = c
A
m
A
(T
2
– T
1
) = 0,86 x 0,249
x (30,32-14,60) kJ = 3366 J (8)
•
Anche in questo caso la corrispondenza tra E e
∆
Q è ottima.