Concetti Chiave
- Joule calcolò il lavoro meccanico come prodotto di un'altezza per un peso, sottraendo l'energia persa per attrito e la restante energia cinetica.
- I suoi esperimenti dimostrarono che il calore prodotto dall'attrito è proporzionale al lavoro meccanico impiegato.
- Per aumentare la temperatura di una libbra d'acqua di 1°F, è necessario un lavoro equivalente alla caduta di 772 libbre da un piede.
- Joule lavorò su un ciclo chiuso, assicurandosi che le condizioni iniziali fossero ripristinate alla fine degli esperimenti.
- Le misurazioni ripetute da Joule stabilirono l'equivalente meccanico del calore tra 4130 e 4780 joule/kcal, con il valore accettato oggi di 4186 joule/kcal.
Il calcolo del lavoro meccanico
Joule doveva solo calcolare il lavoro meccanico fatto per produrre quel calore. Non si tratta soltanto di moltiplicare la massa per l'altezza da cui cade ma anche di sottrarre a questa quantità quella parte che va a riscaldare per attrito i vari meccanismi in funzione (attrito tra pulegge e cordicelle; del sistema ruotante sui cardini) e l’energia cinetica che la massa ha ancora quando giunge al suolo (che data la bassa velocità di caduta, Joule non prende in considerazione). In definitiva Joule calcolò questo lavoro meccanico come prodotto di un'altezza per un peso (alla quale quantità aveva sottratto quella che produceva gli effetti di riscaldamento).
Conclusioni degli esperimenti di Joule
Joule concludeva l'articolo affermando che con i suoi esperimenti aveva dimostrato:
1 - che la quantità di calore prodotta dall'attrito tra due corpi, siano essi solidi o liquidi, è sempre proporzionale alla quantità di lavoro meccanico speso.
2 - che la quantità di calore capace di aumentare la temperatura di una libbra di
acqua [...] di 1°Fahrenheit richiede un lavoro meccanico speso equivalente alla
caduta di 772 libbre dall'altezza di un piede.
Importanza del ciclo chiuso
Un'ultima osservazione. Joule si accertava che alla fine dell'esperienza le condizioni (temperature, pressione, ...) tornassero come erano all'inizio. Ciò è molto importante perché, come diremmo oggi, egli lavorava su un ciclo chiuso. Questa osservazione sarà importante per distinguere l'equivalenza lavoro-calore dalla conservazione dell'energia (ciclo aperto).
Con questa esperienza, ripetuta più volte, Joule determinò, ancora una volta,
l'equivalente meccanico del calore che gli risultò (con unità in uso oggi) nel 1845 di 4780 joule/kcal. Ripetuta l'esperienza due anni dopo dette per risultato 4180 joule/kcal. Essa fu fatta con diversi liquidi dentro il calorimetro e fornì sempre l'ultimo valore che ho ora dato. Ripetuta ancora nel 1850, con la massima cura possibile (ruote a pale di ottone e ferro che lavoravano con differenti liquidi calorimetrici e due ruote di ferro con sfregamento relativo) per l'equivalente fornì il valore di 4130 joule/Kcal. L'ultima misura che fece Joule nel 1878 gli dette ancora tale valore, vicino a quello che oggi accettiamo (4186 joule/kcal).
Domande da interrogazione
- Qual è la relazione tra lavoro meccanico e calore secondo gli esperimenti di Joule?
- Qual è l'importanza del ciclo chiuso negli esperimenti di Joule?
- Quali risultati ottenne Joule riguardo all'equivalente meccanico del calore?
Joule dimostrò che la quantità di calore prodotta dall'attrito tra due corpi è sempre proporzionale alla quantità di lavoro meccanico speso, evidenziando un legame diretto tra queste due grandezze.
Joule si assicurava che alla fine delle esperienze le condizioni tornassero come all'inizio, lavorando su un ciclo chiuso, il che è fondamentale per distinguere l'equivalenza lavoro-calore dalla conservazione dell'energia.
Joule determinò l'equivalente meccanico del calore, trovando valori che variavano nel tempo, con risultati che si stabilizzarono attorno a 4186 joule/kcal, confermando la coerenza delle sue misurazioni attraverso esperimenti ripetuti.
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