Interazioni tra energia e calore

I primi tentativi di formulare il concetto di conservazione dell’energia si imbatterono
in un rigido pregiudizio: le leggi di Newton comprendevano tutta la verità riguardo alla natura; se non poteva essere basata sulla meccanica di Newton, una legge non
era fisica, bensì misticismo. Ciò nonostante, nella prima metà del secolo scorso, una
dozzina di scienziati avanzò in qualche forma l’ipotesi che l’energia si conservasse.
Due di essi furono James Prescott Joule, un fabbricante di birra dalla mentalità pratica
che lavorava in Inghilterra, e Herman von Helmholtz, un fisiologo tedesco. Attraverso
la loro opera, il principio di conservazione dell’energia divenne scientificamente
rispettabile; ma per raggiungere questo risultato, essi dovettero affrontare l’apparente
non-conservazione dell’energia nel mondo.

L’energia si conserva?

Esistono numerosi fenomeni in cui l’energia, almeno nella forma di energia cinetica
ed energia potenziale, sembra non conservarsi? Una cassa che striscia sul pavimento
finisce con l’arrestarsi; una palla di gomma lasciata cadere da una certa altezza
rimbalza sempre meno fino ad arrestarsi. Però, se fossimo in grado di osservare una
cassa che striscia o una palla che rimbalza così da vicino da vedere gli atomi e le
molecole comprenderemmo meglio ciò che sta accadendo. Per esempio, mentre una
cassa striscia sul pavimento, gli atomi e le molecole della cassa e del pavimento
interagiscono e vengono allontanati dalle loro posizioni di equilibrio. Però, gli atomi
non sono liberi di allontanarsi a grande distanza, poiché le forze elettriche li riconducono
verso le loro posizioni di equilibrio; quando vi ritornano, colpiscono gli atomi
adiacenti ponendoli in moto, e così via. Questo moto si svolge all’interno della cassa
e all’interno del pavimento. L’energia in realtà non va perduta: si converte in energia cinetica degli atomi e delle molecole.

Moto costante

L’energia sotto forma di moto nascosto di atomi e molecole è detta energia
termica. Tecnicamente, il calore si trasmette tra un sistema e il suo ambiente in
conseguenza di variazioni della temperatura. Ma il termine calore viene usato spesso genericamente per comprendere anche l’energia termica. Esistono in natura molti
processi che convertono l’energia cinetica, l’energia organizzata del moto di un intero
corpo di grandi dimensioni, in energia termica, il moto disorganizzato degli atomi.
L’attrito è un esempio, la viscosità è un altro. Nel motore di un’automobile o in una
macchina a vapore, avviene il processo opposto: il calore si converte in lavoro.
Se non ci fosse stato il fatto che l’energia può convertirsi in calore, sarebbe stato
più facile scoprire il principio di conservazione dell’energia. Ma nel secolo scorso non
era stato ancora sviluppato il concetto di atomi e molecole in moto costante; invero,
prima della scoperta del principio di conservazione dell’energia, c’era una differente teoria: si pensava che il calore fosse una sorta di fluido, detto calorico. In questa
teoria, il calore stesso era una grandezza che si conserva va.

Principi di conservazione

La teoria del calorico era non una futile speculazione, bensì una particolareggiata
teoria matematica. Un sostenitore di questa teoria avrebbe descritto come si scalda
una barra di ferro nel fuoco dicendo che il calorico fluiva dal fuoco nella barra di
ferro e avrebbe saputo esattamente quanto calore, o calorico, era necessario per portare
la barra a una data temperatura, Se la barra calda veniva immersa nell’acqua, egli
avrebbe detto che una parte del calorico si trasmetteva dal metallo all’acqua, riscaldandola,
e, applicando il principio di conservazione del calorico, sarebbe stato in
grado di prevedere il preciso aumento della temperatura dell’acqua. L’elemento mancante,
l’ostacolo che impediva di scoprire il principio di conservazione dell’energia,
era il fatto che il lavoro o l’energia cinetica possono convertirsi in calore o viceversa.

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