ISTITUTO TECNICO COMMERCIALE "FRANCESCO CARRARA" LUCCA

UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI FIRENZE DIPARTIMENTO DI ENERGETICA

Pagine realizzate da M. Pucci . testi di S. Gratziu foto di M. Landi

La scienza della termodinamica

In tempi relativamente recenti la teoria del calore come 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 teoria di Boerhaave era consistente sia con la teoria del "phlogiston", sia con le idee, allora dominanti, dei fluidi imponderabili (luce, elettricità). Ai suoi seguaci, Joseph Black (1728 - 1799) e Johann Carl Wilcke (1732 - 1799), spetta il merito di alcune importanti scoperte sopra le proprietà 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) ( Traité élémentaire de chemie, 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 della macchina a vapore portò un sostanziale contributo alla scienza della termodinamica. L'importante analisi delle macchine termiche di Sadi Carnot (1796 - 1832) deriva più dalla tradizione ingegneristica del padrte, 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 è il lavoro prodotto nel ciclo e Q è la quantità di calore assorbito dalla sorgente termica più calda, dipende solo dalle temperature delle due sorgenti termiche tra cui opera la macchina ed è 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 Prescot Joule (1818 - 1889) enunciò nel 1843 il primo principio e misurò l'equivalente meccanico del calore. Verso il 1850 Rudolf Clausius (1822 - 1888) introdusse il concetto di entropia e dette una formulazione alternativa ed equivalenrte 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 metà dell'ottocento il problema centrale della termodinamica divenne l'interpretazione 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 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 Poincarè (1854 - 1912). Nel primo decennio del 900 la meccanica statistica si affermò all'interno della nascente teoria dei quanti con l'opera di Max Plank (1858 - 1947), Albert Einstein (1879 - 1955), Walter Nernst (!864 - 1941), Peter Debye (1884 - 1966), Max Born (1882 - 1970) e Theodor von Kàrmàn (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.

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