Concetti Chiave
- La teoria meccanicistica, sviluppata nella seconda metà del 1800, ha superato la teoria del calorico grazie agli studi di Joule e altri ricercatori.
- Joule ha condotto l'esperimento del mulinello, dimostrando l'equivalenza tra calore e lavoro, confermando che il calore è una forma di energia.
- Il mulinello di Joule utilizza un sistema di pesi e carrucole per generare calore tramite il movimento meccanico, evidenziando la trasformazione di energia.
- Joule ha scoperto che l'energia dissipata durante l'esperimento è costante, stabilendo un fattore di conversione tra caloria e lavoro di 4,186 J.
- L'esperimento ha rivelato che il calore non è sempre conservato, suggerendo che può trasformarsi in altre forme di energia durante il suo transito.
La teoria meccanicistica e Joule
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.
L'esperimento e le sue implicazioni
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 scoperta di Joule
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.
Domande da interrogazione
- Qual è il contributo di Joule alla teoria meccanicistica del calore?
- Come funzionava l'esperimento del mulinello di Joule?
- Qual è la scoperta fondamentale di Joule riguardo al calore e all'energia?
Joule, attraverso l'esperimento del mulinello, dimostrò l'uguaglianza tra calore e lavoro, stabilendo che il calore è una forma di energia e una modalità di trasmissione dell'energia, contribuendo così a demolire la teoria del calorico.
L'esperimento prevedeva un mulinello azionato da pesi che scendevano, generando calore all'interno di un calorimetro. Joule osservò che l'energia cinetica dei pesi non corrispondeva alla loro energia potenziale iniziale a causa della dissipazione di energia per attrito, che causava un aumento della temperatura dell'acqua.
Joule scoprì che il rapporto tra l'energia dissipata e il calore creato era costante, stabilendo un fattore di conversione tra caloria e lavoro, e confermando che calore ed energia sono la stessa quantità fisica, capace di trasformarsi in altre forme di energia.
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