» Esercizi svolti di Matematica e Fisica

Calore ed energia. Equivalente termico della caloria

Come è noto, in presenza di forze non conservative viene violato il principio di conservazione dell'energia meccanica e al tempo stesso si realizzano processi di altra natura (differenza di temperatura, etc.) a cui possiamo associare una qualche forma di energia tale da poter enunciare il principio di conservazione dell'energia ove il termine "energia" è inteso in senso totale, cioè somma dell'energia meccanica e delle altre forme coinvolte.

Tale argomentazione è in stridente contrasto con l'ipotesi del flusso calorico, secondo cui il calore è un flusso che si trasmette da un corpo ad un altro per effetto di una differenza di temperatura, ed manifestamente conservativo. Infatti, se consideriamo il moto di un corpo su una superficie scabra, si misurerà una certa quantità di calore prodotta che distruggerebbe il carattere conservativo del flusso calorico.

Dobbiamo quindi abbandonare l'ipotesi del flusso calorico che in ogni caso, è in accordo con i dati sperimentali per ciò che riguarda la trasmissione del calore.

In presenza di processi meccanici dissipativi, che danno luogo a una certa quantità di calore Q, denotiamo con L il lavoro meccanico svolto. Sperimentalmente (esperienza di Joule) si è visto che

Cioè, per qualunque valore del lavoro L, il rapporto tra L e la corrispondente quantità Q di calore prodotto, è una costante. Definiamo, dunque:

come equivalente meccanico della caloria. Ne segue che il calore ha le stesse dimensioni dell'energia (erg ,J ). Tuttavia, a differenza dell'energia intesa come capacità di un corpo a compiere lavoro, il calore si comporta alla stregua dell'energia nella misura in cui si trasferisce da un corpo ad un altro per effetto di una differenza di temperatura. Infatti, se il calore fosse una forma definita di energia in grado di conservare la propria identità quando è contenuta in un corpo, non potrebbe essere possibile estrarne una quantità indefinita da un corpo che resta immutato. In altri termini, il calore assume un significato fisico solo nei processi di interazione di un sistema con l'ambiente, ove una quantità di energia è scambiata con l'ambiente attraverso un flusso di calore. Ciò esibisce una analogia con la nozione di lavoro meccanico che pur avendo le stesse dimensioni dell'energia, non può essere considerato come una forma di energia posseduta da un corpo in quantità definita. Ed è solo attraverso l'interazione con l'ambiente (esecuzione di un lavoro) che una certa quantità di energia può essere scambiata con l'ambiente medesimo.