Trasformazioni della materia, energia e ambiente
I conti con l’energia
Per determinare sperimentalmente l’energia termica liberata da una reazione chimica si utilizzano apparecchiature chiamate calorimetri. In questo modo è possibile determinare il valore energetico di un alimento o il potere calorifico di un combustibile.
Come si misura l’energia
Dato che ogni forma di energia è, almeno in linea di principio, convertibile nelle altre, il Sistema Internazionale ha definito per l’energia una sola unità di misura, il joule (J). Un joule corrisponde all’energia cinetica posseduta da un corpo con massa di 2 kg che si muove alla velocità di 1 m/s ed equivale più o meno all’energia che si deve spendere per spostare questo libro dalla sedia al tavolo. Si tratta quindi di una quantità relativamente piccola, tanto che si usa molto spesso un suo multiplo, il kilojoule (kJ). Oltre al joule vengono ancora utilizzate, per lo più in campi specifici, altre unità di misura. Per valori di energia molto piccoli, come per esempio nel caso delle energie di ionizzazione, si può usare l’elettronvolt. Per indicare invece valori molto grandi di energia, come per esempio il fabbisogno energetico di uno Stato, si può usare una unità di misura molto grande, il Tep (tabella ► 1).
Per misurare il calore liberato o acquistato nel corso delle reazioni chimiche si usano apposite apparecchiature chiamate calorimetri. Queste apparecchiature consentono di effettuare una reazione chimica in condizioni che simulano con buona approssimazione un sistema isolato. Un tipo specifico di calorimetro, particolarmente adatto per la determinazione del calore liberato nelle reazioni di combustione, è la cosiddetta bomba calorimetrica (figura ►14).
La reazione avviene in un recipiente ermeticamente chiuso (A) e il calore liberato scalda una quantità nota di acqua distillata (B) e il calorimetro stesso; il calore assorbito dall’acqua si calcola con la seguente espressione:
Il calore specifico indica la quantità di calore che 1 kg di materiale deve acquistare per aumentare la sua temperatura di 1 °C (tabella ►2). Il calore specifico dell’acqua vale 4,184 kJ/(kg ∙ °C). Alla quantità di calore assorbita dall’acqua occorre aggiungere anche il calore assorbito dal calorimetro. Per ottenere questo valore occorre conoscere la capacità termica del calorimetro, cioè la quantità di calore necessaria per innalzare di 1°C la sua temperatura.
La quantità di energia così ottenuta corrisponde, in base al principio di conservazione dell’energia, al calore sviluppato dalla reazione di combustione.
| Unità di misura | Valore in joule |
|---|---|
| 1 eV (elettronvolt) | 1,602 ∙ 10−19 |
| 1 cal (caloria) | 4,184 |
| 1 L · atm (litro-atmosfera) | 1,013 ∙ 102 |
| 1 Btu (British thermal unit) | 1,055 ∙ 103 |
| 1 kWh (kilowattora) | 3,6 ∙ 106 |
| 1 Tep (tonnellata equivalente di petrolio) | 4,2 ∙ 1010 |
Il recipiente A contiene la sostanza (o il materiale) da bruciare e l’ossigeno sotto pressione. La reazione viene innescata elettricamente. L’agitatore serve a mantenere uniforme la temperatura dell’acqua e in questo modo si possono realizzare misurazioni attendibili dell’aumento della temperatura.| Materiale | Calore specifico (kJ/kg · °C) | Materiale | Calore specifico (kJ/kg · °C) |
|---|---|---|---|
| idrogeno (g) | 14,3 | marmo (s) | 0,98 |
| acqua (l) | 4,184 | asfalto (s) | 0,92 |
| cera (s) | 2,5 | alluminio (s) | 0,90 |
| glicerina (l) | 2,43 | vetro (s) | 0,8 |
| ammonica (g) | 2,06 | ferro (s) | 0,45 |
| glicole etilenico (l) | 2,39 | rame (s) | 0,38 |
| olio di oliva (l) | 2,0 | piombo (s) | 0,13 |
| aria (g) | 1,00 | oro (s) | 0,13 |
prova tu
In una bomba calorimetrica vengono bruciati 0,400 g di olio combustibile. La combustione fa aumentare di 2,12 °C la temperatura di 2500 g di acqua contenuta nel calorimetro.
- Calcola il calore sviluppato dalla reazione che viene assorbito dall’acqua.
- Calcola il calore sviluppato dalla reazione sapendo che la capacità termica del calorimetro vale 3,08 kJ/°C.
