Storia della termodinamica

Dalla teoria del calorico al concetto di entropia

1597   

'700   

1738   

1796   

'800   

1824   

1847   

1850   

1851   

1864   

1931   

Il mondo della refrigerazione e del condizionamento devono la loro esistenza alle conquiste della termodinamica.

Termodinamica scienza fenomenologica

La termodinamica è una scienza fenomenologica, che si è evoluta nel corso dei secoli grazie alle continue osservazioni e sperimentazioni.
Raramente le sue conquiste sono state frutto di dimostrazioni teoriche.

Gli albori della termodinamica

I primi studi sul calore furono condotti da Galileo Galilei, verso la fine del 1500. Egli costruì un rudimentale termometro (il termoscopio) nell'intento di misurare le variazioni di temperatura dei corpi.

Nel XVIII secolo si afferma la concezione storico-evolutiva dei sistemi.
La fisica si interessa dei processi evolutivi piuttosto che delle meccaniche immutabili nel tempo.
In quell'epoca il calore è inteso come una sostanza in grado di diffondersi, un fluido imponderabile che permea tutti i corpi e può passare da uno all'altro.

Nel 1738 Eulero afferma che "il calore consiste in un certo moto delle particelle dei corpi".
Nello stesso anno Bernoulli riesce a calcolare la pressione di un gas sulle pareti di un recipiente attribuendo al calore la causa della velocità delle particelle del gas.
Tuttavia il concetto di calore rimane ancora molto vago.
Secondo la concezione sostanzialista il calore è "forza viva".

Nel 1796 Thompson pone in dubbio la teoria del calorico fortemente sostenuta fino ad allora da molti scienziati come Cavendish, Lavoisier, Volta, Gay-Lussac e Carnot.

I principi della termodinamica nascono dall'esperienza

Nei primi anni del XIX secolo vede la luce il postulato di Fourier: la quantità di calore che attraversa un superficie in un certo tempo risulta funzione del gradiente di temperatura.

Nel 1824 Carnot elabora la prima formulazione del 2° Principio della Termodinamica, favorito dal fatto che suo padre si interessava dello studio dell'efficienza delle macchine termiche: una macchina termica per produrre lavoro deve lavorare tra una sorgente calda ed una fredda.
Tuttavia l'idea di Carnot era ancora ancorata ad una concezione particolare del calore: egli infatti pensava che il lavoro prodotto fosse dovuto al passaggio del calore tra le due sorgenti, un po' come quando l'acqua compie un salto in seguito ad un dislivello.

Attorno alla metà del secolo Clausius e Maxwell pongono in evidenza la dicotomia esistente tra la reversibilità dei processi meccanici e l'irreversibilità dei processi termici.

Lo sviluppo della termodinamica

Nel 1847 Joule e Mayer stabiliscono l'equivalenza tra calore e lavoro.
Ora il calore non viene più inteso come una sostanza, ma come energia. La teoria del calorico viene definitivamente superata.

Sempre nel 1847 Helmholtz formula il principio di conservazione dell'energia termomeccanica (1° Principio della Termodinamica).
Il passaggio di calore da una sorgente calda ad una fredda comporta una degradazione dell'energia, non ad una perdita, come pensava Carnot.

Nel 1850 Clausius rivisita la teoria di Carnot, la libera dell'influenza sostanzialista ed introduce la funzione di stato energia interna.
Riformula inoltre il 2° Principio della Termodinamica: non è possibile il passaggio di calore da un corpo freddo ad uno caldo senza spendere lavoro.

Nel 1851 anche Lord Kelvin rielabora il lavoro di Carnot ed afferma che risulta impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato è quello di assorbire calore da una sola sorgente e di riuscire a trasformarlo tutto in lavoro.
Nello stesso periodo si pone distinzione tra trasformazioni spontanee e non spontanee e si mette in luce il carattere di irreversibilità dei processi naturali.
L'Universo si evolve in maniera irreversibile, fatto che segna un ben preciso verso del tempo: si risolve il problema della freccia del tempo.

Kelvin afferma che l'energia si conserva (1° Principio) ma anche che si degrada (2° Principio).
In questo periodo si va sempre più diffondendo l'idea di evoluzione dei processi naturali: l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica e quindi in movimento che per gli effetti dissipativi produce calore.

Sempre di quel periodo è la definizione della scala assoluta di temperatura da parte di Kelvin.

Si deve a R.H. Fowler la formulazione del principio zero della termodinamica che definisce l'equilibrio termico e, quindi, la grandezza fisica temperatura.
Fino a questa data tutti i fisici utilizzavano questa grandezza fisica, ma nessuno ancora ne aveva dato una definizione rigorosa.

L'irreversibilità e l'entropia

Clausius si concentrò sulla questione della quantificazione dell'irreversibilità dei fenomeni e propose una funzione di stato che caratterizzava lo scostamento dei fenomeni da quelli reversibili: l'entropia.
In funzione di tale nuova grandezza riformulò in forma analitica i Principi della Termodinamica.
Così il 1° Principio divenne l'energia dell'Universo rimane costante mentre il 2° Principio l'entropia dell'Universo tende sempre ad aumentare.
Il concetto di irreversibilità ora era ben chiaro: nelle trasformazioni irreversibili l'entropia aumenta.