L'evoluzione delle teorie energetiche e il contributo di Joule

Le trasformazioni energetiche si riferiscono a situazioni ideali. Infatti ognuno di noi può sperimentare che in realtà l’energia meccanica di un corpo non resta costante, cioè non si conserva: se infatti lasciamo cadere una pallina, la sua energia potenziale si trasforma in energia cinetica e dopo avere rimbalzato alcune volte sul pavimento si ferma. A questo punto la sua energia meccanica è uguale a zero. Quanto descritto a proposito della pallina sottolinea un aspetto più generale: l’energia cinetica dei corpi, se non intervengono altre forze ad alimentarne il moto, diminuisce progressivamente fino ad annullarsi. Il motivo per cui l’energia meccanica non si conserva è da attribuire alla presenza delle forze di attrito. Dobbiamo allora chiederci quale forma assume l’energia cinetica perduta a causa dell’attrito.

Energia cinetica e attrito

Consideriamo dunque un’altra situazione molto comune in cui agiscono le forze d’attrito. Un’automobile lanciata a forte velocità frena bruscamente e in pochi secondi si ferma: se ora, con cautela, appoggiamo una mano sui dischi dei freni ci rendiamo conto che si sono sensibilmente riscaldati. Sappiamo che quando aumenta la temperatura di un corpo vuol dire che è aumentata anche una forma di energia interna del corpo che si chiama energia termica; pertanto è ragionevole affermare che il lavoro della forza d’attrito che agisce durante la frenata ha trasformato l’energia cinetica dell’automobile in energia termica.

Energia termica e attrito

Sappiamo già che un corpo aumenta la propria temperatura quando riceve calore, ma in questo caso dobbiamo considerare che le ruote dell’automobile si sono scaldate senza ricevere calore dall’esterno dal momento che è l’attrito che ha trasformato energia meccanica in energia termica. La conclusione a cui siamo pervenuti ha un valore del tutto generale.

Il lavoro compiuto dalle forze di attrito trasforma l’energia meccanica di un corpo in movimento in energia termica.

L’energia termica è legata al movimento delle particelle che costituiscono un sistema e rappresenta quindi l’effetto misurabile della somma dell’energia cinetica di tutte le particelle. Quindi possiamo pensare che a causa delle forze di attrito, una parte dell’energia cinetica di un corpo si trasforma in energia cinetica delle particelle dei corpi che vengono a contatto, cioè in energia termica. Questa, assieme alle altre forme di energia associate alle particelle (energia chimica, energia nucleare) costituisce il patrimonio di energia interna (Eint) di un sistema.

Il dibattito storico sul calore

Le considerazioni svolte rappresentano la conclusione di un lungo e faticoso dibattito sulla natura del calore iniziato nel diciottesimo secolo e concluso solo verso la fine del secolo successivo; si comprese che il calore non è una sostanza contenuta nei corpi e non è neanche una forma di energia ma è un modo per trasferire energia diverso dal lavoro. La necessità di capire meglio questi concetti fu dettata dal particolare momento storico, nel pieno dell’impetuoso sviluppo della rivoluzione industriale. Con l’avvento delle prime macchine a vapore, gli scienziati si posero il problema di misurare l’energia che si ottiene da una macchina e di aumentarne l’efficienza, cioè di ridurre il più possibile la «dissipazione» dell’energia. Si sviluppò quindi una specifica disciplina scientifica chiamata termodinamica che ha contribuito agli enormi progressi realizzati in Occidente nel campo della meccanica e della termotecnica.

Contributo di J.P. Joule

Un contributo fondamentale al dibattito scientifico sull’energia e sulle sue trasformazioni venne dal fisico inglese J.P. Joule.

Joule riuscì infatti a determinare la relazione di equivalenza tra calore e lavoro. Ecco le parole con cui Joule stesso descrisse i risultati ottenuti: “La quantità di calore prodotta dall’attrito dei corpi, sia solidi sia liquidi, è sempre proporzionale alla quantità di energia spesa. La quantità di calore necessaria per alzare la temperatura di una libbra d’acqua di 1°F richiede, per essere sviluppata, la fornitura di un’energia meccanica equivalente a quella che si ha quando 772 libbre cadono dall’altezza di un piede”.

Lo sviluppo del pensiero di Joule è che il calore, così come il lavoro, non è una proprietà intrinseca del corpo; in altri termini, non è corretto dire che un corpo ha calore, bensì che un corpo può ricevere o cedere calore così come può fare o subire un lavoro. Insomma, calore e lavoro sono due modi diversi per cambiare l’energia interna di un corpo.

Sviluppo delle macchine termiche

Lo studio delle trasformazioni energetiche consentì nel diciannovesimo secolo un imponente sviluppo nella costruzione di macchine termiche, cioè dispositivi in grado di trasformare il calore in lavoro. Non a caso uno dei simboli della rivoluzione industriale è la macchina a vapore. Queste considerazioni ci portano a capire che non è necessario esprimere calore e lavoro con due diverse unità di misura, dato che è comunque la variazione dell’energia interna del corpo è correlata al lavoro e al calore scambiati. Ecco perché anche il calore viene espresso in joule e quindi può essere abbandonata la vecchia unità di misura (e anche la prima a essere definita) la caloria (cal). Oggi il Sistema Internazionale ha stabilito che 1 cal corrisponde a 4,184 J.