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Museo di Fisica F. Cicognini  Cos'è la Termodinamica?
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Il museo

La Termodinamica

In tempi relativamente recenti la teoria del calore come una sostanza fu proposta dai chimici, in particolare da Hermann Boerhaave (1668-1738), (Elementa chimiae, 1724), che considerava il fuoco come un tipo speciale di materia. La dottrina di Boerhaave era in accordo sia con la teoria del "phlogiston", sia con le idee, allora dominanti, dei fluidi imponderabili (luce, elettricita). Ai suoi seguaci, Joseph Black (1728-1799) e Johann Carl Wilcke (1732-1779), spetta il merito di alcune importanti scoperte sopra le proprieta del "calorico", in particolare il calore specifico dei corpi ed il loro calore latente. La teoria del calorico raggiunse un alto livello quantitativo con l'opera di Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794) (Traite elementaire de chimie, 1789) e di Pierre-Simon Laplace (1749-1824). Agli inizi dell'800 le prime obiezioni alla teoria del calorico furono avanzate da Thomas Young (1773-1829), Humphry Davy (1778-1829) e Benjamin Thompson, conte di Rumford (1753-1814). Nel 1811 Joseph Fourier (1768-1830) sviluppò una teoria matematica della conduzione del calore sostanzialmente indipendente dall'ipotesi del calorico. Negli stessi anni il crescente sviluppo dell'ingegneria delle macchine a vapore porto un sostanziale contributo alla scienza della termodinamica. L'importante analisi delle macchine termiche di Sadi Cannot (1796-1832) deriva piu dalla tradizione ingegneristica del padre, Lazare Carnot (1753-1823), che dalla dottrina contemporanea del calore. Studiando il rendimento delle macchine termiche Sadi Carnot introdusse il suo celebre ciclo termodinamico formato di trasformazioni adiabatiche ed isotermiche reversibili di un gas ideale.
Le conclusioni di Carnot furono che l'efficienza di una macchina termica W/Q, dove W e il lavoro prodotto nel ciclo e Q e la quantità di calore assorbito dalla sorgente termica più calda, dipende solo dalle temperature delle due sorgenti termiche tra cui opera la macchina ed e indipendente dalla natura del gas. In pochissimi anni la termodinamica si affermò come scienza di grande generalità e di profondo significato. Con delicati e precisi esperimenti James Prescott Joule (1818-1889) enuncio nel 1843 il primo principio e misuro 1lequivalente meccanico del calore. Verso il 1850 William Thomson (1824-1907) definì la scala termodinamica della temperatura (scala Kelvin) e formulo il secondo principio della termodinamica. Nel 1859 Rudolf Clausius (1822-1888) introdusse il concetto di entropia e dette una formulazione alternativa ed equivalente del secondo principio. Secondo la teoria di Clausius "l'energia di un sistema isolato rimane costante mentre la sua entropia tende ad assumere un valore massimo".
Nella seconda meta dell'800 il problema centrale della termodinamica divenne I'nterpretazione microscopica in termini della teoria cinetica. Sono fondamentali su questo argomento i lavori di J. Clerk Maxwell (1831-1879), di Josiah Gibbs (1839-1903) e specialmente di Ludwig Boltzmann (1844-1906) che propose che il secondo principio non vale in termini assoluti, ma in termini probabilistici. A fondamento della teoria Boltzmann pose il suo celebre "teorema - H". A seguito del lavoro di Boltzmann la scienza della termodinamica, ed in particolare la meccanica statistica, passarono attraverso un intenso periodo di suggestioni e di discussioni, per opera di E.F.F. Zermelo (1871-1953) e di Henri Poincaré (1854-1912). Nel primo decennio del '900 la meccanica statistica si affermò anche all'interno della nascente teoria dei quanti con I'opera di Max Planck (1858-1947), Albert Einstein (1879-1955), Walter Nernst (1864-1941), Peter Debye (1884-1966), Max Born (1882-1970) e Theodor von Karman (1881-1951). Einstein stesso e Arnold Sommerfeld (1868-1951) completarono queste linee di lavoro calcolando i calori specifici dei gas e, rispettivamente, studiando le proprietà degli elettroni nei metalli mediante le due nuove statistiche quantistiche proposte nel 1924 da S. Bose (1894-1974) e nel 1928 da Enrico Fermi (1901-1955).
E da ricordare infine la regione delle bassissime temperature, in prossimità dello zero assoluto, dove si e sviluppata, in questo secolo, la maggior parte della ricerca fondamentale della fisica del calore. Uno degli argomenti di maggior interesse ed impegno e senz'altro quello della "superconduttivita", proprietà della materia scoperta nel 1911 da Kamerling Onnes (1853-1926).
Dal punto di vista strumentale l'Ottocento si caratterizza con il raffinamento delle tecniche per la misura delle temperature. Vengono introdotti i termometri a massima e a minima, le pile termoelettriche ed i pirometri per le alte temperature. Tutti i Gabinetti di Fisica delle scuole erano dotati di calorimetri di vario genere per la misura dei calori specifici dei corpi. Inoltre erano presenti modelli di macchine termiche costruiti partendo dai prototipi settecenteschi di Newcomen e Watt. Occorre segnalare anche il banco Melloni, cioè lo strumento più raffinato fino agli ultimi anni dell'Ottocento, per studiare le proprietà del calore raggiante, cioè della radiazione infrarossa..
Una grande diffusione hanno avuto anche gli igrometri con i quali, unitamente ai barometri, ai termometri e altri semplici strumenti, si potevano eseguire a livello didattico misure sistematiche di meteorologia
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