Joule
Nel caso delle montagne russe, i vagoncini nei punti più
alti hanno velocità quasi nulla, nei punti più bassi hanno invece un'alta
velocità; nelle prime situazioni hanno un'alta energia potenziale e una bassa
energia cinetica, nelle altre l'energia potenziale si riduce ed aumenta quella cinetica.
Tuttavia la somma delle due energie, la cosiddetta energia meccanica, non rimane costante:
tende a diminuire a causa del fatto che parte di essa si converte in calore.
Il concetto di calore quale forma di energia venne intuito dal medico tedesco
Mayer e, poi, confermato sperimentalmente (nel 1843) dal birraio inglese
James Prescott Joule, che dedicò
parte del suo tempo libero a mettere a punto esperimenti per studiare la conservazione dell'energia.
Sopra è raffigurato uno dei suoi esperimenti.
Due pesi fanno girare un mulinello a palette, immerso in acqua. L'energia potenziale
dei pesi si muta in energia cinetica delle parti mobili e quindi in calore che eleva la
temperatura dell'acqua. Misurando questa variazioni di temperatura e tenendo conto
del calore specifico dell'acqua, è possibile calcolare approssimativamente
la quantità di calore assorbito. Joule riassunse i risultati ottenuti grosso modo nel
modo seguente:
1) la quantità di calore prodotto dall'attrito dei corpi, siano
essi solidi o liquidi, è sempre proporzionale alla quantità di
enegia spesa;
2) la quantità di calore capace di accrescere una libbra d'acqua
di 1°F richiede, per la sua produzione, la spesa di una energia meccanica
equivalente alla caduta di 772 libbre per lo spazio di un piede.
In seguito altri sperimentatori giunsero a risultati un po' più
precisi (427 kg·m/cal, per innalzare la temperatura da 15°C a 16°C),
ma l'equivalente meccanico del calore è sostanzialmente quello determinato da Joule.
Liberamente tratto da L'evoluzione della fisica di Einstein e Infeld (1938).