Joule, James Prescott - L'esperimento

Mulinello di Joule e definizione corretta

In realtà solo nella seconda metà del 1800 la teoria meccanicistica iniziò a demolire la teoria del calorico grazie a studiosi come Thomson, Rumford, Young e Joule che portò avanti l'esperimento del mulinello, sancendo l'uguaglianza tra calore e lavoro che così diventava una forma di energia e soprattutto una delle modalità insieme al lavoro di trasmissione dell'energia.
Dopo avere esaminato gli effetti termici della corrente elettrica, Joule decise di indagare gli effetti termici del movimento meccanico. Il mulinello di Joule è un apparato di piccole dimensioni formato da un calorimetro contenente acqua, un termos che impedisce al calore di entrare e di uscire, all'interno del quale è inserito un mulinello collegato all'esterno tramite un avvolgimento di funi e un sistema di carrucole a due pesetti.
Quando il giunto che collega l'albero interno alle funi è stretto, i pesi scendono ed il mulinello è azionato dal lavoro compiuto dalla forza peso delle masse. Dopo aver ripetuto l'esperimento diverse volte Joule si rese conto che la temperatura all'interno del calorimetro era aumentata. Egli, grazie alla relazione fondamentale della calorimetria, poté calcolare il calore creato (cmT) all'interno del calorimetro.

La questione fondamentale dell'esperimento fu quella sull'origine di tale calore, ovvero da cosa scaturisse: i pesi inizialmente scendono con un'accelerazione simile a g, ma quando aumenta la loro velocità, aumenta anche la resistenza idrodinamica che l'acqua esercita sulle palette del mulinello. Ciò vuol dire che l'energia cinetica finale dei pesi non è uguale alla loro energia potenziale iniziale, perché parte di questa energia è stata dissipata per attrito all'interno del calorimetro ed è proprio tale energia a determinare l'aumento di temperatura dell'acqua.

La grande scoperta sperimentale di Joule consiste nel fatto che il rapporto tra l'energia dissipata e il calore creato era una costante anche cambiando le masse (fattore di conversione tra caloria e lavoro o equivalente meccanico della caloria=4,186 J in realtà a quei tempi lui difiniva la grande caloria kcal ).

L'esperimento confermava che calore ed energia fossero la stessa quantità fisica e quindi che il calore non è una quantità sempre conservata perché, essendo un energia in transito, può trasformarsi in altre forme di energia. L'esperimento permetteva di trovare la quantità di lavoro necessario per scaldare di 1 k la temperatura di 1 kg d'acqua.