IL CALORIMETRO AD ACQUA

Uno strumento particolarmente utile per il calcolo del calore specifico è il calorimetro ad acqua.  Il calorimetro è formato da un vaso di metallo immesso in un altro più spesso a doppia parete. Nell' intercapedine sono posti materiali isolanti come lana di vetro o feltro, che limitano gli scambi di calore con l'esterno. Il calorimetro è chiuso da un coperchio anch'esso isolante e nel quale sono praticati due fori: uno per introdurre un termometro e un altro in cui inserire una paletta con la quale mescolare all'occorrenza l'acqua o le altre sostanze.

Un rudimentale calorimetro si può costruire con due bicchieri di diverse dimensioni. 
Nel bicchiere più grande posto uno strato di carta asciugante o, meglio ancora, pezzi di polistirolo. Il bicchiere più piccolo è inserito in quello grande; lo spazio tra i bordi dei due bicchieri è riempito con silicone.

Gli scambi di calore che avvengono all'interno del calorimetro possono essere misurati senza grandi dispersioni di energia termica.  Supponiamo di prendere una massa m₁ di acqua a temperatura t₁ e di mescolarla con una massa d' acqua m₂ a temperatura t₂, con t₁ minore di t₂. Dopo un po' di tempo le due masse d'acqua raggiungono una temperatura di equilibrio t_E, che possiamo misurare sperimentalmente.  In un calorimetro si può supporre che tutto il calore ceduto dalla sostanza più calda venga assorbito da quella più fredda. Possiamo allora prevedere teoricamente la temperatura di equilibrio. La quantità di calore Q₁ assorbita dall' acqua a temperatura t₁è:

Q_l = m₁ *  c_a * ( t_E - t₁)

dove c_a  è  il calore specifico dell'acqua. Analogamente, la quantità di calore Q₂  ceduta dall'acqua a temperatura t₂ è:

Q₂= m₂ * c_a * (t₂ -t_E).

Se non ci sono dispersioni di calore nell' ambiente esterno, le due quantità  di calore sono uguali:

Q₁=Q₂

da cui:

m₁* c_a*(t_E-t₁)=m₂*c_a*(t₂-t_E )                             (*)

Questa equazione, nota come equazione dell'equilibrio termico, consente di calcolare t_E e confrontare il valore ottenuto col risultato sperimentale.  Infatti, semplificando c_a, otteniamo:

                                     m₁*t₁ + m₂*t₂                      

            t_E =      ---------------------------------------

                                          m + m₂

La (*) può  essere usata per calcolare la temperatura di equilibrio fra due sostanze diverse, noto il calore specifico di entrambe. Infine, applicazione ancora più  importante, possiamo usare questa equazione per determinare il calore specifico di una sostanza incognita, come vediamo nel tema calore specifico