La storia della termodinamica: scoperta ed evoluzione

La nascita e l’evoluzione della termodinamica rappresentano un capitolo importante della fisica, che tratta delle leggi del calore e dell’energia ed ha profonde radici storiche.

Iniziando con le prime osservazioni sui motori a vapore durante la rivoluzione industriale, la termodinamica ha rapidamente guadagnato terreno come disciplina scientifica fondamentale. Figure come Sadi Carnot, James Joule e Lord Kelvin hanno giocato ruoli chiave nella formulazione dei principi che oggi consideriamo fondamentali. Le loro scoperte, spesso nate da semplici osservazioni o esperimenti ingegnosi, hanno gettato le basi per un intero campo di studio che continua ad avere un impatto profondo sulla scienza e la tecnologia moderne.

• Cos'è la termodinamica e cosa studia
• Le prime teorie del calore e la nascita della temperatura
• La rivoluzione industriale e le prime macchine termiche
• Lord Kelvin e la temperatura assoluta
• Emmanuel Clausius e la nuova teoria del calore

Cos’è la termodinamica e cosa studia

La termodinamica è la branca della fisica che studia le trasformazioni energetiche, in particolare quelle che coinvolgono calore e lavoro. Al suo cuore vi sono tre principi fondamentali che governano queste trasformazioni:

• Primo Principio (Conservazione dell’energia): stabilisce che l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra. Questa legge è spesso associata al concetto di conservazione dell’energia.
• Secondo Principio: questo principio introduce il concetto di entropia, sostenendo che in ogni trasformazione energetica, l’entropia di un sistema isolato non può mai diminuire; in altre parole, i sistemi tendono verso stati di maggiore disordine o probabilità.
• Terzo Principio: stabilisce che l’entropia di un sistema perfettamente cristallino è zero alla temperatura assoluta di zero kelvin.

Questi principi offrono una base solida per comprendere una vasta gamma di fenomeni, dalla semplice cottura degli alimenti ai motori delle auto e ai processi biologici. Attraverso l’articolo, esploreremo la storia dietro questi concetti e come hanno plasmato il mondo in cui viviamo oggi.

Le prime teorie del calore e la nascita della temperatura

Nel corso della storia, la natura del calore ha sempre suscitato curiosità e domande. Prima di arrivare a una comprensione moderna del calore e della temperatura, gli scienziati hanno proposto diverse teorie e modelli per spiegare questi fenomeni.

Una delle teorie più antiche era quella del “caloric“, che immaginava il calore come un tipo di fluido invisibile che fluiva da corpi caldi a corpi freddi. Secondo questa teoria, quando un oggetto veniva riscaldato, assorbiva il “caloric”, e quando si raffreddava, lo rilasciava. Questa idea, sebbene errata, ha dominato la scienza del calore per molti anni.

Parallelamente all’evoluzione delle teorie del calore, c’è stata la necessità di misurare e quantificare queste sensazioni di caldo e freddo. La nascita delle prime scale di temperatura fu un passo fondamentale in questa direzione: Galileo Galilei, nel XVII secolo, è spesso accreditato per aver sviluppato uno dei primi termoscopi, un dispositivo rudimentale per misurare i cambiamenti di temperatura.

Ma fu nel 1700 che il medico e fisico olandese Daniel Fahrenheit fece un passo avanti significativo, creando una scala di temperatura basata su punti di riferimento stabili, come il punto di congelamento dell’acqua salata e la temperatura del corpo umano. Questa scala, conosciuta oggi come scala Fahrenheit, è stata uno dei primi sistemi standardizzati per misurare la temperatura.

Più tardi, nel 1742, il fisico e astronomo svedese Anders Celsius propose un sistema di misurazione più intuitivo, basato sul punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua. Questo sistema, noto come scala Celsius o centigrado, divenne rapidamente la norma in molte parti del mondo per la sua semplicità ed efficacia.

La rivoluzione industriale e le prime macchine termiche

La Rivoluzione Industriale, iniziata nella seconda metà del XVIII secolo, rappresentò una svolta epocale nella storia dell’umanità, influenzando non solo l’economia e la società, ma anche il progresso scientifico. In questo periodo di rapida industrializzazione, la necessità di fonti di energia efficienti e affidabili divenne una priorità, dando vita alle prime macchine termiche e ponendo le basi per lo sviluppo della termodinamica moderna.

Prima della Rivoluzione Industriale, la teoria dominante riguardo al calore era quella del “caloric”, come menzionato in precedenza. Tuttavia, con l’avvento delle macchine a vapore e la necessità di comprendere e migliorare la loro efficienza, questa teoria cominciò a mostrare le sue limitazioni. Fu grazie al lavoro di pionieri come James Watt, che migliorò significativamente l’efficienza delle macchine a vapore, che la ricerca sulla natura del calore guadagnò nuovo slancio.

Le prime macchine termiche erano principalmente motori a vapore, nei quali l’acqua veniva riscaldata fino a trasformarsi in vapore, il quale, espandendosi, veniva utilizzato per compiere lavoro, spesso per muovere pistoni o altre componenti meccaniche. Queste macchine, pur essendo rudimentali rispetto agli standard moderni, rappresentarono la forza trainante dietro la rapida industrializzazione dell’Europa e, successivamente, del mondo intero.

Fu in questo contesto che scienziati come Sadi Carnot iniziarono a formulare teorie più avanzate sulla termodinamica. Carnot, in particolare, si concentrò sul concetto di “ciclo” e sulla massima efficienza teorica che una macchina termica potrebbe raggiungere: il suo lavoro gettò le basi per la formulazione del Secondo Principio della Termodinamica e introdusse il concetto di entropia.

Il ciclo di Carnot, Émile Clapeyron e il suo diagramma

Il ciclo di Carnot e i successivi contributi di Émile Clapeyron rappresentano due momenti fondamentali nella storia della termodinamica. Entrambi hanno permesso di affinare la comprensione del trasferimento di energia sotto forma di calore e lavoro, delineando i limiti teorici delle prestazioni delle macchine termiche.

Il ciclo di Carnot è un processo teorico ideato dal fisico francese Sadi Carnot nel 1824. Esso rappresenta il ciclo di funzionamento ideale per una macchina termica che opera tra due serbatoi di calore a temperature costanti, e stabilisce il limite superiore dell’efficienza per tali macchine. In sostanza, il ciclo di Carnot consiste in due isoterme, durante le quali avviene lo scambio di calore con i serbatoi, e due adiabatiche, durante le quali non avviene alcuno scambio di calore. L’importanza del ciclo di Carnot sta nel fatto che, pur essendo un modello teorico, stabilisce un benchmark contro cui possono essere misurate le prestazioni delle macchine termiche reali.

Pochi anni dopo, nel 1834, un altro scienziato francese, Émile Clapeyron, ha portato un significativo contributo al campo della termodinamica, ampliando le idee di Carnot attraverso un approccio grafico. Clapeyron introdusse quello che oggi è conosciuto come il “diagramma di Clapeyron”, una rappresentazione grafica delle trasformazioni termodinamiche. In questo diagramma, spesso presentato con la pressione sull’asse verticale e il volume sull’asse orizzontale, è possibile visualizzare e analizzare le varie fasi del ciclo di Carnot.

Il lavoro combinato di Carnot e Clapeyron ha gettato le basi per una visione più dettagliata e quantitativa delle macchine termiche e dei processi termodinamici. Le loro idee e rappresentazioni sono diventate strumenti essenziali per gli ingegneri e i fisici che si occupano di termodinamica, offrendo un quadro teorico solido per comprendere e ottimizzare le trasformazioni energetiche in una vasta gamma di applicazioni.

Lord Kelvin e la temperatura assoluta

Sir William Thomson, meglio conosciuto come Lord Kelvin, è una figura centrale nella storia della termodinamica e nella comprensione dell’importanza e della natura della temperatura. La sua indagine sulla termodinamica e, in particolare, sulla definizione di una scala di temperatura “assoluta”, ha avuto un impatto duraturo sulla fisica e l’ingegneria.

Kelvin fu tra i primi a riconoscere le limitazioni delle scale di temperatura basate su punti di riferimento come il punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua. Queste scale, come quella di Celsius, sono estremamente utili in molte applicazioni pratiche, ma non forniscono una vera misura “assoluta” della quantità di energia termica in un sistema. Per Kelvin, era evidente che esisteva un limite inferiore alla temperatura, un punto al di sotto del quale non si poteva scendere.

Questa riflessione lo portò alla definizione della temperatura assoluta e alla creazione della scala Kelvin. A differenza delle scale Celsius o Fahrenheit, la scala Kelvin inizia a zero assoluto, il punto in cui si ritiene che le particelle di un sistema abbiano la minima energia cinetica possibile e, di conseguenza, non ci sia più energia termica da rimuovere. Questa temperatura teorica è equivalente a -273,15°C o -459,67°F.

Il concetto di zero assoluto e la scala Kelvin sono fondamentali per la termodinamica. Essi forniscono un punto di riferimento universale per misurare l’energia termica e sono essenziali per la formulazione dei principi termodinamici. Inoltre, la comprensione dell’esistenza dello zero assoluto ha portato a scoperte e sviluppi in molti altri campi, come la superconduttività e la fisica delle basse temperature.

Emmanuel Clausius e la nuova teoria del calore

Nella metà del XIX secolo, mentre la Rivoluzione Industriale stava trasformando il mondo e le macchine termiche diventavano sempre più centrali per l’industria e la società, si sentiva il bisogno di una comprensione più profonda dei principi fondamentali del calore. Fu in questo contesto che Rudolf Julius Emanuel Clausius, comunemente noto come Emmanuel Clausius, fece il suo ingresso sulla scena scientifica, rivoluzionando la comprensione del calore e gettando le basi della termodinamica moderna.

Clausius propose una nuova teoria del calore basata sull’idea che il calore non era un fluido, ma piuttosto una forma di energia in transito. Introdotto il concetto di energia interna, Clausius riformulò il principio della conservazione dell’energia, sottolineando che l’energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata da una forma all’altra.

Fondamentalmente, Clausius stabilì che il calore non è una sostanza, ma piuttosto un modo in cui l’energia si muove o si trasferisce tra i corpi. Questa fu una svolta epocale, poiché spostò il fulcro dalla quantità di calore (come era concepito nella teoria del caloric) all’idea del calore come trasferimento di energia.

Uno dei contributi più notevoli dello scienziato fu la formulazione del Primo e Secondo Principio della Termodinamica. Il Primo Principio, come accennato, riguarda la conservazione dell’energia, mentre il Secondo Principio introduce il concetto di entropia, sottolineando che i processi naturali tendono a procedere in una direzione in cui l’entropia, o il disordine, aumenta.