Origini e sviluppo della termodinamica

Presentazione sul tema: "Origini e sviluppo della termodinamica"— Transcript della presentazione:

1 Origini e sviluppo della termodinamica
A.A gli inizi: l’acqua nelle miniere …. E. Torricelli ( ) scopre la pressione atmosferica O. Guericke ( ) esperimenti sulla produzione del vuoto R. Boyle (1662) J.L. Gay-Lussac(1802) legge dei gas l’aria è una sostanza materiale dotata di proprietà descrivibili in termini di pressione, volume, temperatura il lavoro nelle nuove manifatture … J. Watt ( ) inventa la macchina a vapore ad elevato rendimento la costruzione della teoria S. Carnot ( ) Rèflexions sur la  puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette  puissance (1824) il rendimento delle macchine termiche E. Clapeyron ( ) Sur la puissance motrice de la chaleur (1834) Fu un problema tecnico ingegneristico assai rilevante quello che diede origine alla fase iniziale della termodinamica: la necessità di estrarre l’acqua dalle miniere! Il problema era risolto per le miniere che andavano gradualmente in profondità attraverso la vite di Archimede nota già ai romani mentre risultava assai difficile da risolvere per le miniere a pozzo. Per queste fu introdotta la pompa che creava il vuoto in un tubo permettendo la risalita dell’acqua tuttavia già a Galileo, attorno al 1600, si chiedeva per quale motivo anche la migliore delle pompe faceva risalire l’acqua di 10 metri e non un capello di più! La comprensione di questo fatto condusse ai lavori di Torricelli, il quale per primo comprende che l’aria ha un peso (tubo pieno di mercurio rovesciato in una bacinella di mercurio, la colonna scende creando il vuoto fino ad equilibrare il peso dell’aria), Guericke che elabora tecniche per produrre il vuoto (sfere di Magdeburgo), fino a giungere alle leggi dei gas che ne descrivono le proprietà fisiche nei termini del Volume, temperatura pressione ovvero nei termini delle grandezze di riferimento della termodinamica ai suoi esordi. L’aria dunque non era priva di peso come affermava Aristotele ma una sostanza materiale dotata di peso e di precise proprietà che potevano essere sfruttate per sollevare l’acqua ma forse anche per produrre il lavoro necessario nelle manifatture che dalla seconda metà dl ‘700 si diffusero in tutta l’inghilterra dando inizio a quell’immenso fenomeno umano che fu la rivoluzione industriale. In questo modo si poneva in termini molto pratici direi economici il problema della produzione di lavoro estraendolo dalle sostanze materiali quali il carbone. Il lavoro che per primo colse qualcosa di molto profondo della scienza del calore come potremmo chiamarla in questa fase fu quello del giovane Sadi Carnot pubblicato nel 1824 all’età di 28 anni (Rèflexions sur la  puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette  puissance ). Il lavoro di Carnot, pubblicato in poche centinaia di copie, non destò alcun particolare interesse fino a quando Clapeyron, un ingegnere responsabile delle ferrovie, nel 1834 non gli diede una forma matematica mettendone in rilievo tutta l’importanza (Sur la puissance motrice de la chaleur ). Il lavoro di Clapeyron viene conosciuto da Lord Kelvin che era in contatto assai stretto anche con Joule il quale dimostrò che lavoro poteva essere convertito in calore e dunque che in qualche modo si equivalevano. Lord Kelvin riuscì a tirare le somme del lavoro di Carnot e di Joule ed arrivò alla fine degli anni ’40 all’enunciato del II principio che conosciamo ancora legato al concetto di macchina termica e non ancora sviluppato completamente nel suo contenuto fisico.

2 R. Clausius (1822-1888) formulazione matematica del I principio
J.P.Joule ( ) esperimenti sulla equivalenza di lavoro e calore ( ) W. Thompson-Lord Kelvin ( ) scala assoluta delle temperature (1847), formulazione del secondo principio (1851) R. Clausius ( ) formulazione equivalente del II principio ed introduzione del concetto di entropia (1865) J. Mayer ( ) intuisce l’equivalenza di lavoro calore ed energia (1841) H. Helmholtz ( ) scopre la conservazione della energia in meccanica e la estende ai sistemi termodinamici (1842) esseri viventi compresi R. Clausius ( ) formulazione matematica del I principio A.A Fowler , principio zero della termodinamica Fu Clausius a dare una formulazione equivalente del II principio e ad introdurre nel 1865 il concetto di entropia come misura della irreversibilità delle trasformazioni. Il primo principio invece trova il suo punto di partenza intorno al 1840 con i lavori sperimentali di Joule che dimostra sperimentalmente l’equivalenza lavoro calore ma soprattutto con Mayer che intuisce il significato di questa equivalenza nella direzione del principio di conservazione della energia. Nello stesso periodo (1847) Helmholtz dimostra la conservazione della energia nei fenomeni meccanici che estende anche ai fenomeni termodinamici fondandosi sui lavori di Joule e Mayer. La formulazione matematica del I principio invece la si deve a Clausius che tra tutti aveva una visione della termodinamica assai simile a quella che abbiamo visto nelle prime lezioni. La termodinamica classica, che abbiamo richiamato nelle scorse lezioni, è una teoria fisica completa e di grande generalità. Basandosi su un numero limitato di definizioni e su tre principi generali fornisce uno schema in grado di trattare gli scambi di lavoro e calore di quella porzione più o meno estesa e complessa di materia che detta sistema termodinamico.

3 a grandi linee la sintesi di questi studi e’ che :
A.A a grandi linee la sintesi di questi studi e’ che : la nuova grandezza fisica che entra in gioco è la temperatura mentre il calore è una forma di energia che si trasmette da un corpo all’altro a causa di differenze di temperatura calore e lavoro sono forme di energia utilizzabili equivalentemente per modificare l’energia interna di un corpo, ma calore e lavoro non sono equivalenti tra loro la temperatura è indice della energia cinetica associata al moto disordinato e casuale dei componenti della materia, atomi o molecole che siano ( teoria cinetica dei gas )

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