IL TASSO DI SCAMBIO DELL'ENERGIA Da: "L'Evoluzione della Fisica" , Albert Einstein e Leopold Infeld. Boringhieri 1976 Poco meno di cento anni fa, il nuovo indizio che condusse al concetto di calore quale forma di energia venne intuito da Mayer e confermato sperimentalmente da Joule. È una strana coincidenza che quasi tutto il lavoro fondamentale concernente la natura del calore sia stato eseguito non già da professionisti, bensì da dilettanti di fisica. Ci furono il versatile scozzese Black, il medico tedesco Mayer ed il grande avventuriero americano conte Rumford, che visse a lungo in Europa e fra le cui molteplici attività si annovera anche quella di Ministro della Guerra di Baviera. Ci fu finalmente il birraio inglese Joule che dedicò il suo tempo libero ad eseguire esperimenti della massima importanza, concernenti la conservazione dell'energia. Joule sottomise a verifica sperimentale la congettura secondo cui il calore è una forma di energia e determinò il relativo tasso di scambio. Vale la pena di prendere in esame i risultati cui egli giunse. L'insieme dell'energia cinetica e potenziale di un sistema costituiscono la sua energia meccanica. Nel caso delle montagne russe fummo indotti alla congettura che parte dall'energia meccanica si converte in calore. Se ciò è vero deve esserci fra l'una e l'altro, tanto nel caso anzidetto, come in tutti i processi fisici simili, un determinato tasso di scambio. Tale questione è puramente quantitativa, ma il fatto che una data quantità di energia meccanica possa venir cambiata in un determinato quantitativo di calore è troppo importante per non considerano più da vicino. È infatti del maggior interesse conoscere il numero che esprime il tasso di scambio, vale a dire quanto calore può ricavarsi da una data quantità di energia meccanica. Le ricerche di Joule portarono precisamente alla determinazione di questo numero. Il meccanismo di uno dei suoi esperimenti somiglia molto ad un orologio a pesi. Per caricare un orologio simile s'innalzano due pesi, il che conferisce energia potenziale al sistema. Se dopo ciò l'orologio rimane indisturbato, esso potrà venir considerato come un sistema isolato. A poco a poco i pesi scendono e l'orologio va scaricandosi. Al termine di un certo periodo di tempo i pesi raggiungono il loro punto più basso e l'orologio si ferma. Che cosa è avvenuto dell'energia? L'energia potenziale dei pesi si è mutata in energia cinetica del meccanismo e si è poscia gradualmente dissipata come calore. Una ingegnosa modificazione di questo meccanismo permise a Joule di misurare il calore perduto e pertanto il tasso di scambio fra energia meccanica e calore. Nel suo apparecchio, due pesi facevano girare un mulinello a palette, immerso in acqua. L'energia potenziale dei pesi si mutava in energia cinetica delle parti mobili e quindi in calore che elevava la temperatura dell'acqua. Misurando queste variazioni di temperatura e valendosi del ben noto calore specifico dell'acqua, Joule calcolò la quantità di calore assorbito. Egli riassunse i risultati di molte prove nei termini seguenti: 1) La quantità di calore prodotto dall'attrito dei corpi, siano essi solidi o liquidi, è sempre proporzionale alla quantità di forza [per "forza" Joule intende energia] spesa. 2) La quantità di calore occorrente per elevare di 1 grado Fahrenheit la temperatura di 1 libbra d'acqua (pesata nel vuoto, a temperatura fra 55 e 60 °F) richiede, per la sua produzione, la spesa di una forza [energia] meccanica equivalente alla caduta di 772 libbre per lo spazio di 1 piede (1). In altre parole, l'energia potenziale di 772 libbre sollevate di 1 piede dal suolo equivale alla quantità di calore occorrente per innalzare da 55 a 56 gradi Fahrenheit la temperatura di 1 libbra d'acqua. In seguito altri sperimentatori giunsero a risultati un po' più precisi, (2) ma l'equivalente meccanico del calore è fondamentalmente quello determinato da Joule, con il suo lavoro d'avanguardia. Una volta raggiunto questo importantissimo risultato, gli ulteriori progressi furono rapidi. Venne presto riconosciuto che l'energia meccanica e la calorifica sono soltanto due delle molte forme che l'energia può assumere. Qualsiasi cosa che può venir convertita nell'una o nell'altra è anch'essa una forma di energia. La radiazione emessa dal Sole è energia, poiché parte di essa si trasforma in calore sulla Terra. La corrente elettrica possiede energia, poiché riscalda un filo o fa girare la ruota di un motore. Il carbone rappresenta energia chimica che si libera come calore quando esso brucia. Ogni evento naturale comporta la trasformazione di una forma di energia in un'altra, e sempre ad un ben definito tasso di scambio. In un sistema chiuso, cioè isolato da influenze esteriori, l'energia si conserva e pertanto si comporta come una sostanza. In simile sistema la somma di tutte le possibili forme di energie è costante, ancorché le singole qualità possano variare. Se consideriamo l'universo intero come una sistema chiuso possiamo orgogliosamente proclamare, con i fisici del secolo diciannovesimo, che l'energia dell'universo è invariabile, e che nessuna sua frazione può venir mai né creata né distrutta … (1) [È approssimativamente: 1 °F = 0,6 °C 1 libbra = 0,45 kg 55-60 °F = circa 13 °C 772 libbre = 350 kg 1 piede = 0,305 m] (2) [In unità decimali, e in base ai risultati sperimentali sull'equivalente meccanico del calore, oggi diremmo: l'energia potenziale di 0,427 chilogrammi sollevati di 1 metro dal suolo equivale a 1 caloria, cioè alla quantità di calore occorrente per innalzare, a pressione atmosferica normale, da 14,5 a 15,5 gradi Celsius, o centigradi, la temperatura di 1 grammo d'acqua.]