LA CALORIA

L'esperienza di Joule è stata ed è di fondamentale importanza nello studio della termodinamica perchè permette di stabilire l'equivalenza fra lavoro e calore in termini fisici e in termini di unità di misura.

E' possibile effettuare l'esperienza del mulinello di Joule utilizzando un recipiente perfettamente isolato termicamente (come un vaso di Dewar), una massa di acqua distillata a una temperatura iniziale data, un termometro che verrà inserito all'interno del calorimetro tramite un'apertura denominata collo, un asse rotante munito di agitatore nella parte immersa nell'acqua (vedi figura), una funicella avvolta a spirale sulla parte emersa dell'asse e passante nella gola di una carrucola all'altra estremità, un peso P legato alla seconda estremità della funicella.

Lasciando cadere liberamente il peso P per un'altezza h, la funicella si svolge dall'asse facendolo ruotare e l'agitatore comunica il suo moto all'acqua. L'acqua agisce sulle palette creando un attrito viscoso che cresce all'aumentare della velocità delle palette. Il peso scende con un' accelerazione simile a g, ma quando la velocità aumenta anche l' attrito dell' acqua diventa maggiore. In breve tempo quindi la resistenza idrodinamica che agisce sul mulinello diventa uguale alla forza peso agente sul peso per cui questo scende con velocità costante. Di conseguenza l' energia cinetica finale K dei due pesi è minore della loro energia potenziale W. E' stata dissipata una quantità di energia DE = W - K per attrito nel calorimetro. Joule arrivò a dimostrare che calore ed energia sono la stessa quantità fisica.

Fu quindi accettata l'idea che il calore è come il lavoro una delle modalità di trasmissione dell'energia. In queste condizioni il lavoro Mgh coinciderà col calore prodotto Q=m.Δt.cs, dove m è la massa dell'acqua. Uguagliando le due formule otteniamo cs= Mgh/mΔT che corrisponde a 1 cal/grado( per definizione la Cal è la quantità di calore necessario per far aumentare la temperatura di un grammo d'acqua distillata, precisamente da 14,5°C a 15,5°C, come avvenuto nell'esperimento). Risulta quindi che 1 cal= 4186J, e nel caso del calore specifico 1cal/(g°C)=4190J/(kg.K).