STEP 25: LE COSE PERSONALI

Passato

Trofeo. Il primo torneo di calcio. Mi ricordo ancora come se fosse ieri. Finale vinta ai calci di rigore contro il San Giuseppe Riva (squadra locale).  

Presente

Computer. Ho scelto questo strumento perché ormai è parte integrante delle mie giornate. Oggetto indispensabile per poter seguire le lezioni e ottimo strumento per la ricerca.

Futuro

Bottiglia di birra. Simbolo di speranza e amicizia. Sono ormai diversi mesi che non vedo più i miei amici più cari. Ho messo questa bottiglia, perchè ci siamo promessi che quando ci rivedremo festeggeremo con la birra, in particolare questa (la nostra preferita).  

STEP 24: LE PAROLE NELLA STORIA

Per capire la storia del calorimetro è bene vedere come esso compaia all' interno della letteratura. Per fare questo è stato utilizzato Ngram Viewer.

Le tre espressioni cercate, come si può vedere dal grafico, sono state: Calorimetro ad acqua, calorimetro delle mescolanze e bomba calorimetrica, strumenti che hanno rivoluzionato la calorimetria. 

Per completezza sono stati riportati due grafici in cui, in uno si sono ricercate le parole in libri e opere inglesi mentre nell'altro si sono ricercate in testi scritti in italiano.

Durante questi ultimi 250 anni ci sono state numerose invenzioni e scoperte che hanno portato ad acquisire nuove conoscenze che hanno rivoluzionato concetti come quello del calore visto non più come un elemento della tavola periodica ma come una forma di energia. Da cui poi la sua misura.

Il primo calorimetro inventato fu proprio quello a ghiaccio e come si vede dalle immagini è il primo a comparire nei libri e nei manoscritti. Successivamente questo calorimetro fu sostituito a causa della sua scarsa accuratezza dal calorimetro ad acqua da cui la sua comparsa nei libri. Molto importante è il calorimetro di Mahler, anche detta bomba calorimetrica, che ha consentito di iniziare a determinare e calcolare il calore sviluppato nelle reazioni e di poter calcolare il potere calorifero di solidi e liquidi. Come è possibile vedere dal picco che compare sui grafici è stata una scoperta che ha rivoluzionato la scienza e a consentito di sviluppare nuove conoscenze. Negli ultimi anni soprattutto il calorimetro a ghiaccio e ad acqua sono stati soppiantati da strumenti di misura più precisi, da cui la minor comparsa in 'letteratura'. Nonostante tutto, essendo strumenti che ne hanno caratterizzato e segnato la storia non verranno dimenticati così facilmente (o almeno si spera).

STEP 23: LE NORMATIVA

 

Per agevolare l' uso dello strumento e unificare le caratteristiche di uno strumento vengono scritte delle norme che devono essere seguite in fase di progettazione e costruzione. Un esempio può essere:

ISO 652:1975 Stabilisce i termometri da usare in particolare nelle bombe calorimetriche.

Questo standard internazionale stabilisce le specifiche per una serie di termometri a scala con buona sensibilità da utilizzate nelle bombe calorimetriche  e per altri scopi dove è richiesta una misurazione accurata della variazione  di temperatura. Non sono provvisti di scale ausiliarie e quindi non sono adatti per la misura della temperature vicine a quella assoluta. I requisiti specificano materiale, costruzione, scala e precisione.

Fonte: https://www.iso.org/fr/standard/4784.html 

Altre esempi di norme sono:

UNI EN ISO 1716:2018 - Prove di reazione al fuoco dei prodotti - Determinazione del potere calorifico superiore

ASTM D240 - 19 - Metodo di prova standard perla misura dell calore di combustione di combustibili idrocarburici liquidi mediante calorimetro a bomba

I calorimetri oggi vengono utilizzati in molte applicazioni .Una di queste è la valutazione del comportamento alla fiamma di un materiale. Essa infatti, è regolata da norme Tra cui:

ASTM E 2067

Questa pratica si occupa di metodi per costruire, calibrare e utilizzare calorimetri di consumo di ossigeno su larga scala per ridurre al minimo le discrepanze nei risultati dei test tra i laboratori

Fonte: https://standards.globalspec.com/std/14282106/astm-e2067

STEP 22: IL MANUALE D' USO

Una domanda che sorge spontanea quando si prende in mano questo strumento è ''Come funziona?''

Esistono diversi tipi di calorimetro e in base ai principi e alla loro funzione sono usati in modo differente. 

Prendiamo in esame il calorimetro delle mescolanze e spieghiamo la procedura d' uso.

Per iniziare prendiamo il calorimetro, costituito da un termometro, un vaso di Dewar, un agitatore e un coperchio. 

Come seconda cosa prendiamo una quantità di acqua di massa m1 a una certa temperatura T1 e inseriamola all' interno del vaso.

 In seguito prendiamo il corpo di cui si vuole calcolare il calore specifico e misuriamo la sua massa e temperatura che chiamiamo mx e Tx e immergiamola nell' acqua.

Chiudiamo tutto con il coperchio e con un termometro misuriamo la temperatura che, durante questa fase, subirà una variazione fino a raggiungere una temperatura detta di equilibrio, Tf. Durante questo processo inoltre, per rendere uniforme e velocizzare lo scambio di calore usiamo un agitatore. 

Ricavata la Teq e note le quantità inziali è ora possibile ricavare il calore specifico della sostanza in esame.

Dunque:

                                                  

Dalle considerazioni spiegate in precedenza. otteniamo questa formula.

NOTE:

• Durante questo processo per minimizzare lo scambio di calore con l'esterno è importante usare un coperchio.
• Se si vogliono ottenere misure molto accurate bisogna considerare anche il calore rilasciato dalla sostanza che determina un aumento della temperatura del vaso. Questa energia deve essere rimossa al termine del ciclo di misurazione.

STEP 21: FUMETTO

Sono riportati alcuni fumetti in cui compare il calorimetro.

Il primo è stato realizzato da una studentessa Serena Piotti (a.s. 2008/09), in cui racconta ironicamente un'esperienza di laboratorio.

Fonte: http://www.fmboschetto.it/lavori_studenti/relazafumetti/relazafumetti.htm

Pagina del fumetto Rat Tangent uscito il 21 Novembre del 2007.       

Titolo: ''Enter the Calorimeter'' (trad. Dentro il calorimetro)

Fonte:http://rattangent.com/2007/11/21/enter-the-calori/

Fumetto pubblicato su Devian Art. Nella terza vignetta compare il calorimetro.

Fonte: https://www.deviantart.com/tillie-tmb/art/AoS-7-8-861141269

STEP 20: IL MARCHIO

 

I calorimetri DDS sono i progettisti e produttori della gamma CAL2K e CAL3K di sistemi calorimetrici per bombe a ossigeno. 

Questi calorimetri vengono utilizzati per determinare il potere calorifico di campioni liquidi e solidi.

Come è possibile vedere dal simbolo si evidenzia subito il legame tra la chimica e lo strumento.

Per maggiori informazioni

STEP 19: L' ABBECEDARIO

• A come acqua, liquido calorimetrico principale usato nei calorimetri
• B come Berthelot scienziato che ha migliorato il calorimetro di Regnault
• C come capacità termica quantità di energia necessaria per far aumentare la temperatura di un grado
• D come dewar contenitore che mantiene isolato il suo contenuto dall' ambiente esterno
• E come energia, il calore è una forma di energia
• F come fisica scienza della natura che si occupa anche di questi fenomeni
• G come ghiaccio usato in particolare in un calorimetro da cui il nome calorimetro a ghiaccio 
• H come  Hippolyte Pixii inventore e abilissimo costruttore di strumenti scientifici
• J come joule unità di misura del calore
• K come Kelvin unità di misura della temperatura  
• I come isolante, tipo di materiale usato per limitare lo scambio di calore tra il calorimetro e l' ambiente
• L come Lavoisier inventore del calorimetro a ghiaccio
• M come massa quantità da tenere in considerazione per determinare il calore specifico o la capacità termica di una sostanza nel calorimetro delle mescolanze
• N come normative, regolano lo strumento e il suo utilizzo
• O come ossigeno, comburente utilizzato nella bomba calorimetrica per realizzare il processo di combustione
• P come principi della termodinamica: enunciati che formano la base di questa branca della fisica 
• Q come Q simbolo che rappresenta il calore
• R come recipiente elemento necessario in tutti i calorimetri 
• S come setacci, usati nel calorimetro a ghiaccio per separare l'acqua dal ghiaccio
• T come termometro, strumento per la misura della temperatura 
• U come U simbolo che indica l' energia potenziale funzione che ci consente di definire il calore 
• V come vaso, elemento fondamentale del calorimetro
• Z come Z simbolo che rappresenta il numero atomico, quantità da tener in considerazione nelle reazioni chimiche

STEP 18: IL FRANCOBOLLO

I francobolli commemorativi vengono emessi per commemorare o propagandare un particolare evento. Viene impossibile non ricercare nella storia francobolli di alcuni inventori e costruttori di questo strumento. 

Com' è possibile vedere sul primo francobollo compare Pierre Simon Laplace  e nel secondo Antoine Lavoisier, inventori del primo calorimetro a ghiaccio.

P. S. LAPLACE

Fonte: https://www.pinterest.it/pin/163959242672809942/

A. LAVOISIER 

Fonte: https://www.pinterest.it/pin/300826450111516614/

E stato inoltre riportato il francobollo di un noto scienziato che ha segnato la storia di questo strumento, Marcelin Berthelot.

M. BERTHELOT

Fonte: https://it.123rf.com/photo_25578163_francia-circa-1927-un-francobollo-stampato-in-francia-mostra-marcelin-berthelot-circa-1927.html

STEP 17: I BREVETTI

Miglioramenti bomba calorimetrica

Inventore: J. WILLIAMS                                                Pubblicazione:US590408A·1897-09-21

Lo scopo nella costruzione di questo calorimetro è stato quello di evitare il più possibile ogni fonte di errore esistente, semplificando e migliorando molte delle parti e rendendo automatiche molte delle operazioni.

Per maggiori informazioni

Strumento per la misura del potere calorifico.

Inventore: SAMUM W. PAUT                                      Pubblicazione:US1136360A·1915-04-20

Scopo della presente invenzione è di fornire un apparato in cui alla camera di combustione è consentito raggiungere una temperatura elevata per tutto il tempo fino a quando la combustione è sostanzialmente completa, utilizzando mezzi per assorbire rapidamente il calore così sviluppato.

Per maggiori informazioni

Miglioramenti bomba calorimetrica

Inventore: PRESS VIKTOR; SCHELB STEFA           Pubblicazione: GB2121172A·1983-12-14

Lo scopo dell'invenzione è quindi quello di rendere possibile utilizzare qualsiasi combinazione desiderata di bombe e camere senza ridurre la precisione di misurazione richiesta, senza la necessità di una nuova calibrazione ogni volta senza la necessità di fornire marcature ottiche sulle bombe che vengono scansionate mediante mezzi ottici elettronici in modo che la bomba giusta possa essere associata alla camera giusta. Una pluralità di camere e bombe dovrebbe essere compatibile tra loro e intercambiabili.

Per maggiori informazioni

Miglioramenti bomba calorimetrica

Inventore: ISHIDA NOBUHIKO; IZUMITANI              Pubblicazione: GB2121172A·1983-12-14

SUSUMU; SAIGA MIKITO; SEIKE SHOJI; SODA TAKANORI               

Lo scopo è quello di prevenire il deterioramento ed evitare che si rovini l'anello a O che sigilla la parte esterna del tappo da calore o cenere fornendo l'anello a O all' e  all'esterno di una sezione di innesto a baionetta e, allo stesso tempo, rendendo il diametro del tappo nella posizione di montaggio più grande del diametro interno della camera di combustione.

Per maggiori informazioni

STEP 16: ANATOMIE

Per capire lo strumento è importante capire le parti che lo compongono. 

Studiamo quindi l'anatomia di questi quattro tipi di calorimetro.

Calorimetro a ghiaccio

Per maggiori informazioni

Calorimetro di Bunsen

P= provetta

S=serbatoio

Per maggiori informazioni 

Calorimetro delle mescolanze

Per maggiori informazioni

Calorimetro di Mahler

Per maggiori informazioni

STEP 15: I NUMERI

Vengono forniti alcuni numeri del calorimetro che lo caratterizzano

1780: invenzione del primo a calorimetro (precisamente calorimetro a ghiaccio)

4,186J: come la quantità di calore necessaria per portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C, a pressione

1 cal (1 caloria): unità di misura del calore (poi sostituita dal Joule), è definita come la quantità necessaria per portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C, a pressione

0,1/0,01%: precisione attuale del calorimetro delle mescolanze

1840: prima descrizione del calorimetro delle mescolanze

1892: Concessione del brevetto per il calorimetro di Junker

Fonte: https://it.sodiummedia.com/4148865-what-is-a-calorimeter-in-physics-definition-use

STEP 14: TASSONOMIA

Tassonomia (dal greco: τάξις, tàxis, ordinamento e νόμος, nòmos, norma o regola) è la disciplina che si occupa della classificazione gerarchica. La classificazione consente di definire reciproche dipendenze tra oggetti ordinati secondo una gerarchia precisa.

Gli strumenti della termologia sono il calorimetro e il termometro usati rispettivamente in calorimetria e termometria (rami di questa scienza). In questo albero tassonomico sono stati individuati 5 tipi di termometri e due sottogruppi del calorimetro divisi in base al modo con cui si misurano le quantità di calore. Infine, sono stati riportati i principali calorimetri che caratterizzano questi due sottogruppi.

 

Link differenza calorimetri adiabatici e isotermi

STEP 13: LA PUBBLICITA'

Pubblicità stampata in bianco e nero originale del 1885  per i calorimetri brevettati da Baker che furono venduti da J. Orme & Co., 65 Barbican, Londra. Inghilterra durante l' era vittoriana.

Per maggiori informazioni: https://www.periodpaper.com/products/1885-ad-j-orme-bakers-calorimeter-science-chemistry-instrument-victorian-ynm4-230585-ynm4-009

Esempio di un opuscolo a titolo pubblicitario di un Calorimetro di Berthelot - Mahler per la determinazione del valore calorifico del carbone fossile ed altri combustibili con modificazione della bomba di combustione secondo il sistema del Dott. Kroeker.

Fonte: https://www.abebooks.it/Calorimetro-Berthelot-Mahler-determinazione-valore-calorifico/30206596906/bd

Oggi, il calorimetro è uno strumento scientifico molto utilizzato: Esistono infatti numerosi articoli di pubblicità, da cui si ottiene questa immagine.

STEP 12: NEL CINEMA

Spagna, 2018

GENERE: Commedia, Sentimental

ATTORI: Vito Sanz, Berta Vázquez, Chino Darín, Vicky Luengo, Irene Escolar, José María Pou, Andrea Ros, Daniel Sánchez Arévalo

In questa immagine del film è possibile vedere il professore mentre spiega ai suoi alunni la termodinamica e le leggi su cui si basa.  

Le leggi della termodinamica è un film uscito su Netflix che racconta la vita di uno scienziato nevrotico ossessionato dall'idea che le tre leggi della termodinamica regolino la vita quotidiana di tutte le persone. Succube dell'amore inizia a riflettere sulla validità delle sue teorie.
Queste leggi, nel caso dello strumento, ne definiscono i principi di funzionamento.

Fonte: https://www.mymovies.it/film/2018/the-laws-of-thermodynamics/

STEP 11: I COSTRUTTORI

Dal 1780, anno di invenzione di questo strumento, ci furono numerosi costruttori e case costruttrici di questo dispositivo che ne hanno permesso la sua espansione nel mondo. Possiamo ricordare:

Hippolyte Pixii nato a Parigi nel 1808. Inventore e abilissimo costruttore parigino di strumenti scientifici. Ha costruito un calorimetro ad acqua conservato nel Liceo Classico Paolo Sarpi (Lucca).

Calorimetro realizzato da Pixii

Per maggiori informazioni

Le Officine Galileo, fondata nel 1866, è un'azienda italiana produttrice di strumenti scientifici ed astronomici con sede a Campi Bisenzio, in provincia di Firenze.

Phywe (Germania) fondata nel 1913, ormai produttore leader di strumentazione didattica di alta qualità, è uno dei maggiori fornitori al mondo di strumentazione per l’insegnamento delle scienze naturali nelle scuole e nelle università.

STEP 10: I LIBRI

Edward W. WASHBURN , Standard States for bomb calorimetry in «Bureau of Standards Journal of Research»  Washington, 13 Febbraio 1933.

A. NACCARI , Sui calori specifici di alcuni metalli dalla temperatura ordinaria fino a 320°, in «Gazzetta Chimica Italiana» ,Anno I (1881) ,VOL. XVIII

Antoine Laurent LAVOISIER, Descrizione del calorimetro, in «Trattato elementare di chimica-Tomo secondo» Parigi, 1792 (traduzione dal francese in italiano di Vincenzo Dandolo, 4 aprile 1792)

Francesco Paolo ROSAPEPE ,Integrated Systems, Lecce, 2014

STEP 9: GLI INVENTORI

Anche se la letteratura scientifica riporta di esperienze rudimentali di calorimetria fin dalla fine del XVII secolo, si può dire che tale tecnica sia nata nella seconda metà del 1700 con le esperienze di Laplace e di Lavoisier. Ancora a fine del 1700 si credeva che il calore fosse un fluido detto ''fluido calorico''.

Il primo calorimetro per misurare questa quantità, (poi associata a una forma di energia) fu il calorimetro a ghiaccio. Inventato da Lavoisier e Laplace nel 1780, ha consentito le prime misure quantitative del calore sviluppato nelle transizioni di fase e in alcune reazioni chimiche.

Questo strumento a causa della scarsa sensibilità e precisione fu poi perfezionato  con il calorimetro di Bunsen, inventato dal fisico tedesco Robert Wilhelm Bunsen a cui si deve il nome dello strumento.

Importante è inoltre, il calorimetro ad acqua inventato da Regnault che non si basava più su variazioni di volume ma di temperatura. Anch'esso migliorato dalla bomba calorimetrica inventata da Marcelin Berthelot e Paul Vielle, che velocizzò le analisi e migliorò la precisione delle misure. In particolare, la bomba calorimetrica, inventata nel 1879/1880 è usata per determinare il potere calorifero di sostanze liquide e solide, mentre per i gas viene usata il calorimetro di Junker, strumento inventato da Hugo Junkers nel 1892.

Regnault

NOTA: 

Vengono riportate le biografia dei chimici e fisici che hanno caratterizzato la storia di questo strumento.

Biografia Lavoisier, Biografia Laplace, Biografia Bunsen, Biografia Regnault, Biografia Berthelot, Biografia Paul Villie, Biografia Hugo Junkers

Viene riportato un articolo in cui si mettono a confronto Villie e Berthelot. L'articolo spiega i dubbi su chi abbia davvero inventato la bomba calorimetrica.

Articolo (curiosità) 

Fonti:

• https://www.soc.chim.it/sites/default/files/chimind/pdf/2015_2_56_ca.pdf
• https://www.soc.chim.it/sites/default/files/users/sci_didattica/Calorimetria.pdf

STEP 8: I MATERIALI

A seconda del tipo di calorimetro e delle precisioni che si vogliono ottenere, possono essere utilizzati materiali diversi. Ampia diffusione per la costruzione di questi dispositivi sono i materiali isolanti e ,nel caso della bomba di Mahler, l' acciaio. Inoltre, è molto usato come strato sottile per i rivestimenti l' alluminio, in quanto è un materiale leggero molto facile da reperire e da lavorare. 

Materiale fondamentale che "impedisce" (rallenta) lo scambio di calore con l'esterno è l'isolante. Ne esistono diversi tipi ad esempio il legno, la lana di vetro, il cotone e il polistirolo. In alcuni casi viene usata anche l' aria.

Il Cotone è una fibra ricavata dalla bambagia usata come isolante in moltissimi campi. Il suo primo utilizzo risale a tantissimi anni fa. E' un materiale con una bassa conducibilità termica.

BAMBAGIA

Il legno è un materiale usato fin dall' antichità in moltissimi ambiti come le costruzione di oggetti e abitazioni. E' leggero, resistente ed è un buon isolante; viene usato soprattutto nel calorimetro di Regnault come rivestimento esterno date le sue caratteristiche fisiche.

Un altro materiale di grande importanza, usato soprattutto nella bomba di Mahler è l'acciaio.

L'acciaio è una lega ferrosa composta principalmente da ferro e carbonio, quest'ultimo in percentuale non superiore al 2,06%. Caratteristiche principali di questo materiale sono: buona resistenza alla rottura a trazione e allo snervamento, grande durezza resistenza ad alte pressioni e la buona conducibilità termica che consente, nella bomba di Mahler, una misura accurata del calore che viene scambiato con l'acqua in cui è immersa la sostanza.

ACCIAIO

A seguito delle successive scoperte sulla conducibilità termica dei materiali la scelta dei materiali ha portato ad ottenere una maggiore precisione delle misure.

STEP 7: IL MITO

Nell'antichità l'idea del calore era connessa con quei processi della natura che provocano sensazioni elementari di caldo e di freddo.

Indubbiamente le prime esperienze sui fenomeni termici risalgono agli uomini della preistoria, i quali impararono ad accendere il fuoco per scaldarsi e cuocere le carni.

Il fuoco è la più importante fonte di calore che ha permesso all'uomo di sopravvivere.

Secondo la mitologia greca, il fuoco fu stato regalato da Prometeo al genere umano.

Prometeo infatti, secondo il mito si recò da Atena affinché lo facesse entrare di notte nell'Olimpo e, appena giunto, rubò il fuoco agli Dei, accese una torcia dal carro di Elio e la diede al genere umano. Zeus venuto a sapere di ciò che era accaduto ordinò ad Efesto, per punire il genere umano, di costruire una donna bellissima, di nome Pandora.

Prometeo la rifiutò, Zeus andò su tutte le furie e fece incatenare Prometeo a una roccia sulla vetta di un monte. Lì, ogni giorno, un'aquila gli avrebbe squarciato il ventre e dilaniato il fegato per l'eternità, il titano era immortale e durante la notte le ferite guarivano.

Il supplizio Prometeo, dipinto di Jean-Louis-César Lair

Fonte: https://www.miti3000.eu/mitologia-greca-mitologie-143/568-prometeo-incatenato.html

STEP 6: IL SIMBOLO

Viene riportata l'immagine del simbolo di un calorimetro 

Fonte: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CalorimeterSymbol.s

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In aggiunta viene riportato un simbolo dello strumento realizzato utilizzando la grafica vettoriale. 

La grafica vettoriale è una  tecnica di rappresentazione dello strumento generata dal computer in cui gli elementi grafici che la costituiscono sono un insieme di primitive geometriche

Fonte:https://it.depositphotos.com/vector-images/calorimeter.html

STEP 5: IL PRINCIPIO FISICO DEL CALORIMETRO DELLE MESCOLANZE

Il calorimetro delle mescolanze per la determinazione delle quantità di calore assorbite o cedute si basa sui principi base definiti dalla termodinamica.

Nello specifico, fa riferimento al principio zero e al primo e secondo principio della termodinamica.

Il principio zero afferma che, se un corpo "A" è in equilibrio termico con un corpo "B" e a sua volta il corpo "B" è in equilibrio termico con il corpo "C", allora anche "A" e "C" sono in equilibrio termico tra loro.

Il primo principio della termodinamica afferma che l' energia può essere convertita da una forma a un' altra ma non può essere né creata né distrutta.

Il secondo principio afferma che: il calore  non può spontaneamente fluire da un corpo freddo a uno più caldo.

Questo calorimetro in particolare è usato per la determinazione dei calori specifici e della capacità termica. Il calore scambiato tra due corpi, a seguito di evidenze sperimentali(dalla fisica), è dato dalla seguente relazione: 

Q=mc(T) 

•  Q è il calore assorbito /ceduto
•  m è la massa 
•  T rappresenta la variazione della temperatura

Essendo note le masse e temperature del solido immerso e del liquido calorimetrico, eguagliando il calore scambiato fra le due sostanze si ricava questa espressione per il calcolo del calore specifico:

Fonte: FISICA 1, Autori: Mazzoldi, Nigro e Voci