James Prescott Joule, fisico inglese, fu uno dei più grandi scienziati del XIX secolo. Fisico, chimico e produttore di birra, era un uomo d'affari che si interessò principalmente agli aspetti economici delle varie fonti di energia, per passare poi allo studio della convertibilità dell'energia. Figlio di un ricco birraio di Manchester, fu istruito privatamente fino a 16 anni e per tre anni ebbe come insegnante l’eminente chimico John Dalton, allora settantenne.
Dalton trasmise a Joule il suo grande amore per la scienza e la sua passione per l’esattezza dei dati numerici sui quali basare le leggi e le teorie scientifiche. Nonostante studiasse in casa, Joule era affascinato dalla scienza, in particolare dall’elettricità, anche se per lui era solo un hobby. Possedeva un laboratorio nella fabbrica di famiglia dove faceva i suoi esperimenti e, dopo averla venduta nel 1854, ottenne una notevole tranquillità economica che gli permise di dedicarsi interamente alla fisica.
La Sfida alla Teoria del Calorico
Agli inizi dell’Ottocento, il concetto di energia era limitato, oltre a quella elettrica, a questi tre tipi: potenziale, cinetica e meccanica. La prima è un'energia che un determinato corpo possiede dovuta al fatto che possa compiere un lavoro, la seconda è un'energia che un corpo possiede grazie al suo movimento e la terza è la somma dell’energia cinetica più l’energia potenziale, la quale rimaneva costante se riferita ad un sistema chiuso. Inoltre, il calore veniva considerato come una sostanza imponderabile e conservativa, chiamata flusso calorico, il quale passava dal corpo più caldo al corpo più freddo e il passaggio si interrompeva quando le due temperature assumevano lo stesso valore.
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. Questa teoria del fluido calorico incominciava a presentare discrepanze con le osservazioni: Thompson, ad esempio, notò che con l’attrito si poteva generare un’indefinita quantità di calore senza nessun apparente passaggio di flusso calorico. Tutto ciò fece venire in mente a Joule l’idea che il calore potesse essere una forma di energia.
La Scoperta dell'Effetto Joule
Joule incominciò a lavorare sul concetto di calore quando si accorse che un filo in cui passava corrente elettrica si scaldava. Questo risultava insensato, in quanto il passaggio di calore avveniva soltanto in presenza di due corpi aventi temperature diverse; in questo caso, quindi, non si sarebbe dovuto notare nessun cambiamento di temperatura.
Leggi anche: Realizzazione Artigianale Penne in Legno
Nel 1840 scoprì quella che ora è chiamata legge di Joule, sul riscaldamento di un conduttore percorso da corrente. Il fenomeno va sotto il nome di effetto o legge di Joule. Consideriamo un circuito elettrico in cui scorra una corrente di intensità $I$, e ai cui capi sia presente una differenza di potenziale $V$. Allora nel circuito si sviluppa una potenza $P$ pari al prodotto tra intensità di corrente e differenza di potenziale: P = I x V.
La potenza $P$ sviluppata in un conduttore percorso da corrente può essere impiegata in vari modi: se non sono collegati al circuito altri dispositivi se non il circuito stesso, in cui sono presenti elementi resistivi, questa potenza verrà sfruttata per innalzare, nel tempo, la temperatura del conduttore. Proprio Joule ha mostrato che calore e lavoro sono in realtà la medesima cosa: scambi o trasformazioni di energia. Se un circuito non può impiegare la potenza accumulata come lavoro meccanico, la convertirà in calore.
Applicazioni Pratiche dell'Effetto Joule
L’effetto Joule è fondamentale in molte tecnologie. Le stufe elettriche, il grill di un forno elettrico e le piastre di cottura a resistenza (ormai superate) sfruttano l’effetto Joule per riscaldare il conduttore attraverso cui scorre la corrente. I fusibili sono dispositivi di sicurezza inseriti all’interno di circuiti: se passa nel circuito una corrente troppo intensa, il fusibile brucia, interrompendo il circuito e quindi il passaggio di corrente. Alcune delle lampadine che illuminano le nostre case funzionano per effetto Joule: sono le cosiddette lampadine a incandescenza, in cui un filamento conduttore viene percorso da corrente e incrementa la propria temperatura sino a diventare incandescente.
L'Esperimento del Mulinello di Joule: L'Equivalente Meccanico del Calore
Dopo avere esaminato gli effetti termici della corrente elettrica, Joule decise di indagare gli effetti termici del movimento meccanico. Cercò una convincente dimostrazione, puramente meccanica, della conversione di lavoro in calore. L'esperimento più celebre di Joule, che gli permise di determinare il valore dell'equivalente meccanico della caloria, fu quello del mulinello.
Come Funziona il Mulinello di Joule
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. I pesi, posti ad una determinata altezza, vengono fatti scendere in caduta libera facendo muovere le palette che si trovano all’interno del contenitore isolato termicamente e perfettamente chiuso: esse mettono così in movimento l’acqua all’interno del contenitore. 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.
Leggi anche: Tornitura CNC: Precisione e Qualità
Dopo aver ripetuto l'esperimento diverse volte, Joule si rese conto che la temperatura all'interno del calorimetro era aumentata. Joule constatò che l’energia potenziale iniziale dei pesi non equivaleva all’energia cinetica finale, ma mancava una piccola quantità di energia. Tutto questo andava contro la legge di conservazione dell’energia meccanica. Allo scienziato venne in mente allora di inserire nel contenitore un termometro e provare nuovamente l’esperimento ripetendo più volte consecutivamente la caduta dei pesi, in modo da aumentare la quantità di energia. Si accorse che c’era un leggero aumento di temperatura, intuendo che l’energia mancante si era trasformata nel calore acquistato, poi successivamente, dall’acqua.
Mulinello di Joule (esperienza di Joule)
La Scoperta Fondamentale
La questione fondamentale dell'esperimento fu quella sull'origine di tale calore. 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. Egli, grazie alla relazione fondamentale della calorimetria, poté calcolare il calore creato (cmT) all'interno del calorimetro. 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.
Joule trovò che un certo ammontare di lavoro meccanico produceva sempre la stessa quantità di calore. Questo fattore numerico per passare dal lavoro compiuto dai pesi al calore prodotto lo chiamò equivalente meccanico del calore. I suoi lavori, nonostante fossero frutto di raffinati esperimenti, furono inizialmente ignorati e respinti dalla Royal Society, che lo considerava un dilettante.
L'Evoluzione del Valore dell'Equivalente Meccanico del Calore
Joule ha affinato il valore dell'equivalente meccanico del calore nel corso degli anni:
Leggi anche: Precisione nella Tornitura Lenti
| Anno | Valore (unità britanniche) | Equivalente (J/cal) |
|---|---|---|
| 1843 | 838 ft·lbf/Btu | Circa 4.51 J/cal |
| 1845 | 819 ft·lbf/Btu | Circa 4.41 J/cal |
| 1878 | 772.55 ft·lbf/Btu | Circa 4.16 J/cal |
Sulla sua tomba nel cimitero locale è inciso il numero 772.55, il valore definitivo del 1878 per l’equivalente meccanico del calore in unità britanniche, corrispondente a circa 4.16 J/cal.
Il Contesto Scientifico e la Collaborazione con Thomson
Le resistenze che il lavoro di Joule incontrava erano dovute anche alla poca credibilità presso i contemporanei di esperimenti così precisi; ad esempio, sosteneva di misurare differenze di temperatura di 1/200 di °F. Tuttavia, la sua abilità sperimentale gli derivava dalla sua esperienza industriale di birraio e dalla sua competenza tecnologica, ed era aiutato da un abile costruttore di strumenti, John Benjamin Dancer.
Nel 1847, ad un’altra delle presentazioni tenute da Joule alla British Association ad Oxford, assistettero George Stokes, Michael Faraday e il giovane William Thomson (poi Lord Kelvin). Stokes si dichiarò subito “joulista”, Faraday fu “molto colpito”, ma con molti dubbi, e Thomson interessato, ma scettico. Joule e Thomson si incontrarono di nuovo per caso a Chamonix, e Thomson si convinse che i risultati di Joule meritavano un tentativo di spiegazione teorica. Già nel suo lavoro del 1848 sulla temperatura assoluta, affermò i suoi dubbi sulla teoria del calorico, citando “le notevoli scoperte” di Joule.
Nel 1851, Thomson non ebbe più dubbi e affermò che “l’intera teoria della potenza motrice del calore è fondata su due proposizioni, rispettivamente dovute a Joule e a Carnot e Clausius…”. Iniziò così una fruttuosa collaborazione tra Joule e Thomson, anche se quasi esclusivamente epistolare: Joule effettuava esperimenti e Thomson analizzava i risultati e dava suggerimenti su ulteriori esperimenti. Negli anni tra il 1852 e il 1856 scoprirono l’effetto Joule-Thomson (raffreddamento di un gas reale per una brusca espansione adiabatica) e contribuirono alla nascita e affermazione della teoria cinetica.
L'Importanza della Calorimetria nell'Opera di Joule
La costruzione del mulinello di Joule implica un’approfondita conoscenza sulla teoria del calore ed aver fatto proprio il principio del calorimetro, uno strumento che permette di misurare il flusso di calore tra due corpi. Il procedimento per stabilire la quantità di calore che un corpo cede o acquista è ben definito dalla calorimetria. Per esempio, nell'esecuzione di esperimenti di calorimetria, si mira all'equivalenza tra calore ceduto e calore acquistato, come espresso dalla formula:
Qceduto = Qacquistato
mcorpo x Cs corpo x Δtcorpo = macqua x Cs acqua x Δtacqua
Dove:
- m sta a indicare la massa;
- Cs il calore specifico, cioè la quantità di calore necessaria per alzare di un grado la temperatura di un kg del materiale;
- Δt la differenza tra la temperatura finale e iniziale di un corpo.
L'importanza della precisione è cruciale in questi esperimenti. Le difficoltà nell’ottenere risultati precisi, come nel caso di progetti didattici in cui “il calore acquistato dall’acqua non può essere maggiore del calore ceduto dal corpo altrimenti si violerebbe il principio della conservazione dell’energia”, evidenziano la maestria sperimentale di Joule. Fattori di errore come lo strato di ruggine o la troppa aria nel calorimetro possono comportare un errore rilevante. L’aumento di temperatura è davvero minimo, per cui sistemi con attrito minimo sono essenziali per non falsare il risultato, dimostrando l'eccezionale accuratezza delle misurazioni di Joule.
Eredità e Riconoscimenti
Il fisico britannico James Prescott Joule fu uno degli scienziati più brillanti del suo tempo. A lui è dovuta l’intuizione che il trasferimento di calore fosse in realtà soltanto un’altra forma di trasformazione di energia: con un famoso esperimento dimostrò l’equivalenza tra scambio di calore e lavoro meccanico. Le sue ricerche hanno permesso di formulare nel XIX secolo il principio di conservazione dell’energia, fondamentale per gli studi in termodinamica.
Anche se tardivi, ebbe fama ed onori: membro della Royal Society dal 1850, su proposta di Lord Kelvin, insignito delle medaglie Royal e Copley nel 1852 e 1870, presidente della British Association nel 1872, ottenne lauree onorarie da Oxford, Dublino e Edimburgo. Ancor oggi, non a caso, nel sistema internazionale di misura l’unità usata per il lavoro e l’energia prende il nome di joule (J).