JOULE, HELMHOLZ E CLAUSIUS

Un altro importante personaggio che contribuì alla formulazione del principio fu James Prescott Joule, che tra il 1841 e il 1849, avviò una serie di studi per verificare l’equivalenza tra calore e lavoro. Egli riuscì a dimostrare la sua tesi tramite il suo celebre esperimento:



In un calorimetro a pareti isolanti contenente una massa d’acqua ma , si introduce un mulinello privo di attrito, dotato di palette rotanti. Il sistema viene messo in rotazione dalla caduta di due pesi di massa m posti ad una altezza h da terra. Una volta che le palette si sono fermate a causa dell’attrito con il liquido, introduce nel recipiente una miscela d acqua e ghiaccio a condizioni normali; lo scioglimento di una parte della massa di ghiaccio permette di misurare il calore assorbito dalla miscela introdotta. Ma perché il ghiaccio si scioglie?

I pesi, cadendo, trasformano la loro energia potenziale in energia cinetica di rotazione del mulinello, che si ferma dopo un certo di intervallo di tempo. Ciò significa che tutta l’energia meccanica si è dissipata negli attriti trasformandosi in altra forma di energia: quest’ultima ha provocato un innalzamento della temperatura dell’acqua contenuta nel calorimetro. Di qui possiamo dedurre che l’energia meccanica si è trasformata in calore assorbito dall’acqua. A seguito di queste deduzioni Joule, inoltre poté quantificare l’equivalente meccanico del calore e cioè a 4,186 j/cal, in pratica una caloria equivale a 4,186 joule.
Joule aveva dimostrato sperimentalmente che un’energia meccanica esterna si trasforma integralmente in una variazione di energia interna di un liquido, manifestandosi infatti come una variazione di temperatura per poi trasformarsi in calore di fusione del ghiaccio. Si scoprirà soltanto più avanti che questa energia interna dipende solo dalla fase iniziale e finale dell’acqua, per cui può essere considerata come una grandezza caratteristica dello stato del liquido, ossia una funzione di stato. Una variazione di energia interna ∆U può essere causata da una qualsiasi variazione di pressione, volume o temperatura della sostanza.
Joule, oltre a questo contributo volto a dimostrare l’equivalenza tra calore e lavoro, portò anche alla definizione, ancora oggi accettata di calore. Infatti grazie al suo contributo fu definitivamente abbandonata l’idea del calore come un fluido che si trasferisce da un corpo ad un altro tramite contatto, e si accettò la teorica cinetica del calore, ovvero il calore non è più inteso come un fluido ma come un movimento.


Infine grazie all’opera di Hermann Helmholz e di Rudolf Clausius si poté, arrivare all’enunciato, noto come il primo principio della termodinamica: nel 1850 essi pubblicarono una memoria in cui presentavano la prima teoria matematicamente rigorosa in grado di unire il principio di equivalenza formulato da Joule con la teoria cinetica dei gas proposta da Clausius . La formulazione che ne usci:
“il lavoro può trasformarsi in calore e il calore in lavoro, secondo la legge:

Q=∆U+L

È da notare che il principio non prende le grandezze come assolute ma le loro variazioni: lo scambio di energia, in termodinamica, avviene solo nel passaggio da uno stato all’altro di un sistema. La conservazione dell’energia totale è un principio della natura che si applica alle variazioni di stato: meccanico, termodinamico, chimico, elettromagnetico, quantistico dei corpi.