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
.