15 1.3 L energia interna e il primo principio 1.3 L ENERGIA INTERNA E IL PRIMO PRINCIPIO Il principio di conservazione dell energia meccanica, studiato in fisica, la cui affermazione precede gli studi sulla termodinamica, sostiene che in assenza di forze esterne la somma di energia potenziale e cinetica in un sistema si mantiene costante, o, in altri termini, la somma delle loro variazioni è nulla: Epot + Ecin = 0 (1.4) Se al sistema sono applicate forze conservative, il loro lavoro determina una variazione delle varie forme di energia: Epot + Ecin = Wcons (1.5) L equazione di Bernoulli per i liquidi ideali è proprio l applicazione della conservazione dell energia ai fluidi privi di viscosità. Inoltre, per i liquidi reali l equazione di Bernoulli introduce la dissipazione, che rappresenta il lavoro delle forze di attrito non conservative. Per introdurre lo studio della termodinamica consideriamo inizialmente condizioni opposte, ovvero sistemi in cui è possibile scambiare calore e lavoro, ma non cambiano la velocità netta e la posizione del baricentro del sistema. Considereremo, pertanto, costanti l energia cinetica e l energia potenziale. In queste condizioni James Prescott Joule condusse, fino al 1847, i suoi esperimenti che, alla pubblicazione dei risultati, nel 1850, aprirono la strada verso la comprensione del ruolo del calore, del destino delle dissipazioni ed alla formulazione attuale del primo principio della termodinamica. 1.3.1 Gli esperimenti di Joule: equivalenza calore-lavoro Il dispositivo ideato da Joule era costituito da un recipiente adiabatico, termicamente isolato dall ambiente, contenente una determinata quantità di liquido e munito di palette di agitazione (v. Fig. 1.10). L albero era collegato ad un cavo a cui era appeso un peso la cui caduta metteva in rotazione le palette. La misura dell altezza di caduta del peso consentiva il calcolo esatto dell energia potenziale persa e, di conseguenza, del lavoro effettuato dalle palette sul liquido. L attrito tra le palette ed il liquido determinava un innalzamento di temperatura misurato da un termometro, dovuto esattamente al lavoro applicato. Joule ripeté l operazione fino ad ottenere un aumento di temperatura apprezzabile e lo mise in relazione con l altezza totale di caduta. Nel corso degli anni ripeté l esperienza con apparecchiature più sofisticate, cambiando il liquido termostatico e affinando l esecuzione e le misure, fino a pervenire al valore 4,220 joule = 1 caloria