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Termoscopio
Il punto di partenza è stato il tentativo di misurare il calore: Galilei inventò, proprio con questo
scopo, il termoscopio. Il termoscopio è costituito da una caraffa di vetro della grandezza di un uovo con un lungo
collo. Questa caraffa viene riscaldata con le mani e immersa parzialmente, in posizione rovesciata,
in un recipiente pieno di acqua. Quando veniva sottratto alla caraffa il calore delle mani, si
osservava che l’acqua saliva nel collo. -
Period: to
La Rivoluzione Industriale
Durante la rivoluzione industriale viene inventatra la prima macchina in grado di trasformare l'energia termica in energia meccanica, ovvero la macchina a vapore -
Denis Papin
Papin scoprì che quando l’acqua bolliva e si trasformava in vapore acqueo, occupava molto
più spazio di quando era allo stato liquido. Un litro d’acqua, quando bolle, si trasforma in
quasi duemila litri di vapore acqueo. In una pentola chiusa ermeticamente, lo spazio
diminuisce sempre di più, man mano che l’acqua si trasforma in vapore. Di conseguenza, il
vapore preme contro le pareti, il coperchio e il fondo della pentola. Si dice allora che
aumenta la pressione, e da qui il nome della pentola. -
Thomas Savery
Proprio grazie alla pentola, Papin capì come il vapore poteva essere utilizzato per produrre lavoro. Ideò una pentola
alla quale aveva applicato un pistone: il vapore, uscendo, azionava il pistone, generando lavoro meccanico. Thomas Savery trasformò i cimeli da laboratorio di Papin nel suo The
miner’s friend (L’amico del minatore), macchina utile per aspirare l’acqua dai pozzi minerari. -
Thomas Newcomen
Rinnovò la macchina a vapore: il pistone arrivava in cima al cilindro, il vapore si raffreddava e, raffreddandosi,
ritornava acqua, e occupava molto meno spazio, cosicché il pistone ridiscendeva nel cilindro. Quando
arrivava in fondo, nel cilindro veniva immesso di nuovo del vapore, e il pistone tornava a salire. La
macchina di Newcomen funzionava sul moto alternato del pistone del cilindro, che continuava finché lui
aggiungeva acqua nel contenitore (caldaia) e combustibile al fuoco. -
Period: to
Teoria del Flogisto
Il calore è un fluido calorico invisibile, privo di peso, indistruttibile. La teoria del flogisto postulava l’esistenza di una ‘sostanza’ – il flogisto – che si pensava fosse contenuta
in tutti i corpi combustibili: il flogisto si liberava sia quando veniva bruciato materiale organico, sia trattando metalli con il calore in aria libera. Quest’azione trasformava i metalli in metalli deflogisticati, quelli che noi oggi chiamiamo ossidi. -
Joseph Black
Per individuare questo fluido invisibile e privo di peso, Joseph Black inventò il calorimetro: sostanzialmente, l’apparecchio di Black consisteva in un vaso ben isolato, attraverso il cui coperchio passava un termometro. Un materiale, bruciato al suo interno, emanava tutto il calore – tutto il fluido calorico – che conteneva nell’aria chiusa nel vaso; l’aumento di temperatura che ne derivava veniva
misurato dal termometro. -
James Watt
Innovò nuovamente il modello di Newcomen, dopo Smeaton, separando le due funzioni principali della macchina: l’azione di raffreddamento del vapore per ottenere di nuovo l’acqua e l’azione di riscaldamento
dell’acqua per ottenere il vapore. La produzione ebbe inizio nel 1776, grazie al finanziamento di Matthew Boulton, proprietario di una fabbrica inglese. -
Benjamin Thompson, Conte Rumford
Thompson lasciò il segno nella storia della termodinamica grazie al suo lavoro sui cannoni: egli mostrò infatti che una parte del lavoro compiuto durante l’alesatura della bocca da fuoco si trasforma in calore e, usando un attrezzo appositamente smussato, mostrò anche che il calore era prodotto in continuazione purché si fornisse lavoro e non era direttamente correlato al taglio del metallo. Secondo lui il risultato era incompatibile con la teoria del flogisto. -
Il Secondo Principio della Termodinamica
È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico
risultato sia quello di trasferire calore da una sorgente
fredda a una calda.
È impossibile realizzare una macchina termica il cui unico risultato sia di produrre lavoro scambiando calore con una sola sorgente. -
Sadi Carnot
Carnot aveva notato che le trasformazioni eseguite dalla macchina dovevano costituire una successione di stati di
equilibrio, in altre parole, la macchina doveva essere reversibile. Rappresentò la situazione mediante un ciclo, noto appunto come Ciclo di Carnot, ma attualmente esso è conosciuto attraverso la schematizzazione proposta da Clapeyron, in un diagramma pressione-volume. -
Ciclo di Carnot
Il ciclo è composto da quattro trasformazioni tutte reversibili: due sono adiabatiche e due isoterme. Perché una macchina, che opera tra due serbatoi a
temperatura costante, abbia il rendimento massimo,
deve eseguire solamente trasformazioni reversibili. Tutte
le macchine reversibili che operano tra le stesse due
temperature, Tf e Tc, hanno lo stesso rendimento. -
Il Primo Principio della Termodinamica
Il primo principio della termodinamica, o principio della conservazione dell'energia, fù formulata da Mayer, Joule ed Helmhotz. Il primo principio della termodinamica afferma che: L'energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante. Esso è rimasto uno dei pilastri della scienza moderna, anche se, a causa delle scoperte di Einstein, ha dovuto essere combinato con il principio di conservazione della massa. -
Julius Robert Mayer
Nel 1840, a bordo di un mercantile olandese in rotta per l'Indonesia, gli capitò, come medico, di praticare dei salassi Si accorse così che più il mercantile si avvicinava ai tropici, più il sangue diventava rosso. La spiegazione di
questo fenomeno per Mayer era che solo una minima quantità dell’aria inspirata dai marinai era stata bruciata, mentre la maggior parte era stata assorbita dal sangue; e concepì l'idea di un nesso tra calore e lavoro. Le sue teorie furono bocciate. -
Hermann Ludwig Van Helmholtz
Scrisse nel 1847 un'opera intitolata Sulla conservazione della forza, in cui si possono notare alcune analogie con Mayer che però non fu citato. Ciò portò quest'ultimo sull'orlo di un esaurimento nervoso facendosi prima imprigionare e poi tentare il suicidio, fallendo. Fortunatamente.
Infatti, la sua opera, scarsamente considerata in un primo tempo, ebbe degli apprezzamenti maggiori solo in
seguito. Helmholtz lesse il suo articolo solo nel 1852 e gli diede pieno credito, -
James Prescott Joule
Joule studiò la corrente e trovò che la trasformazione di calore in lavoro e viceversa avveniva in rapporto costante. 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 calore necessario per scaldare di una 1 cal la temperature di 1 kg d'acqua -
Scala Kelvin
Nel 1848 estese la teoria di Carnot-Clapeyron ancora oltre per la sua insoddisfazione riguardo al fatto che un termometro a gas fornisse solo una definizione operativa della temperatura. Propose una scala di temperatura assoluta in cui un'unità di calore che passa da un corpo A a temperatura T° su questa scala ad un corpo B a temperatura (T-1)°, produce lo lavoro qualunque sia il numero T. -
William Thomson, Lord Kelvin
William Thomson, meglio noto come Lord Kelvin, è conosciuto per aver sviluppato la scala Kelvin, che misura la temperatura assoluta. Proseguì, come Clapeyron, gli studi di Carnot. Come lui, Kelvin, era convinto della bontà della teoria del flogisto e considerava il calorico una quantità che si manteneva costante nel suo passaggio attraverso la macchina termica. Tutto questo, nonostante fosse a conoscenza dell’opera di Joule, che metteva in dubbio questa teoria. -
Rudolf Julius Emmanuel Clausius
Clausius teorizzava che calore e lavoro non fossero altro che due aspetti di uno stesso fenomeno,
chiamato poi energia da Kelvin: il calore e il lavoro erano essenzialmente la stessa cosa, nel senso che un’unità di
calore poteva essere scambiata con un’unità di lavoro senza compromettere l’energia totale dell’universo. Inoltre
affermò che l’energia totale dell’universo si conserva: l’unico elemento che cambiava davvero era la mescolanza dei
diversi tipi di energia. -
Entropia
L'entropia è, una grandezza che viene interpretata come una misura del disordine presente in un sistema fisico qualsiasi, incluso, come caso limite, l'Universo. La
nozione di entropia non aumenta concettualmente le fondamentali idee di Carnot sui cicli, ma permette un calcolo
semplice e rapido che non coinvolge i ragionamenti complessi dei cicli. L’entropia non si conserva, perché il nostro non è un universo perfetto: questo significa che l’energia non viene usata al meglio.