James Prescott Joule
James Prescott Joule, nato a Salford, il 24 dicembre 1818 e morto a Sale, l’11 ottobre 1889, è stato un fisico inglese.
Nel 1841, indagando sugli effetti termici, inviò alla Royal Society un articolo in cui dimostrava che un conduttore attraversato da corrente elettrica produce calore in quantità proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato della corrente stessa. Questo fenomeno è oggi chiamato effetto Joule.
Successivamente Joule enunciò ad un congresso in Irlanda il principio noto come equivalente meccanico del calore. Grazie alle sue sperimentazioni (e usando uno strumento che prende il suo nome) dimostrò che calore e lavoro meccanico potevano convertirsi direttamente l’uno nell’altro, mantenendo però costante il loro valore complessivo: nelle macchine idrauliche e meccaniche gli attriti trasformano la potenza meccanica perduta (lavoro) in calore e, viceversa, nelle macchine termiche l’effetto meccanico prodotto (lavoro) deriva da una quantità equivalente di calore. In tal modo Joule cominciò a porre le basi sperimentali del primo principio della termodinamica.
Inizialmente la scoperta non suscitò molto interesse ma, in seguito, ricevette per questo la Royal e la Copley Medal da parte della Royal Society. In pratica egli dimostrò il principio di conservazione dell’energia per i sistemi termodinamici (il calore è una forma di energia meccanica).
Per misurare l’equivalente meccanico del calore, nel 1845 egli costruì una macchina, chiamata "mulinello di Joule", che consente di misurare il calore prodotto in conseguenza della dissipazione di una quantità nota di energia meccanica. Questa macchina, è formata da un calorimetro contenente acqua, all’interno del quale è inserito un mulinello libero di ruotare attorno ad un asse verticale. Il mulinello è collegato con un sistema di funi e pulegge ad una coppia di pesi, mantenuti inizialmente fermi. Se i pesi sono sbloccati, essi incominciano a scendere mettendo in rotazione il mulinello. Tale movimento è rallentato dall’attrito viscoso dell’acqua contro le pale del mulinello. Una volta che i pesi sono scesi a terra, tutta la loro energia potenziale iniziale si è convertita in calore. Tale calore si può quantificare misurando la variazione di temperatura che subisce l’acqua durante l’esperimento. Joule provò che per fornire delle quantità di calore pari a una caloria occorrono circa 4,41 J di lavoro. Il valore dell’equivalente meccanico della caloria oggi accettato è di 4,186 J/cal. In suo onore si chiama Joule (J) l’unità di misura dell’energia del Sistema Internazionale (SI).
Accadde un fatto che durò sette anni, Thomson (inglese), saputo della grande esperienza sperimentale di Joule, consolidò una fattiva collaborazione con quest’ultimo.
Il risultato dell’attività collaborativa di questi studiosi fu la scoperta del principio che quando le molecole si separano per effetto dell’espansione, occorre un lavoro meccanico per vincere la piccola forza che le tiene legate e ciò comporta assorbimento di calore e quindi un raffreddamento.
Questo è l’effetto Joule-Thomson che è fondamentale per la liquefazione dell’aria vedi in seguito macchina di Linde e/o relazione dei principi fisici che intervengono nelle basse temperature.
La macchina che sfrutta l’effetto Joule-Thomson è costruttivamente molto più semplice, anche se fornisce in genere un effetto molto piccolo. Si tratta in definitiva di sostituire al motore ad espansione il rubinetto di Joule-Thomson.
Gli studi dei due scienziati convergono alla definizione del coefficiente di Joule-Thomson che è una misura della variazione della temperatura al variare della pressione a entalpia costante.
Detto coefficiente quando è positivo, l’espansione J-T causa una diminuzione della temperatura. Quando è uguale a zero l’espansione avviene senza alcuna variazione di temperatura e quando è negativo, l’espansione avviene con aumento di temperatura.
Grazie a questi risultati siamo in grado di gestire i gas e di procurarci gli effetti criogenici utili alla criochirurgia.