Immagine da AA. VV., “PPC Progetto Fisica”, Vol. A, Zanichelli, Bologna, 1986.

Fino a circa metà Ottocento il calore veniva concepito come un fluido, detto calorico, contenuto in ogni corpo, e che poteva passare da un corpo più caldo ad uno più freddo. La temperatura era definita come la densità del fluido. Questa teoria non spiegava molti fatti, ma era comunemente accettata.

Uno dei pionieri della concezione attuale fu B. Thompson (conte di Rumford) che tra fine '700 e inizio '800 aveva osservato e tentato di misurare il calore prodotto durante la foratura dei cannoni, che dovevano essere continuamente raffreddati con enormi quantità di acqua. Aveva pure immerso in acqua un cannone e, dopo aver misurato l'aumento della temperatura dell'acqua, ne aveva dedotto che il cannone sarebbe fuso senza quel procedimento, tanto era il calore prodotto. E dunque da dove veniva il calorico durante la foratura?

Nel 1840 J. P. Joule iniziò ad eseguire vari esperimenti sempre più raffinati per dimostrare che il calore, misurato con l'aumento della temperatura, era proporzionale al lavoro compiuto. Uno dei primi esperimenti consisteva nel riscaldare un filo di metallo in cui passava la corrente prodotta da un generatore elettrico azionato da un peso che scendeva da una altezza nota… e infatti oggi il riscaldamento di un filo conduttore dovuto al passaggio di corrente si chiama Effetto Joule!
L'esperimento più noto che contribuì ad abbandonare la teoria del calorico fu il Mulinello di Joule, con il quale divenne semplice dimostrare che il lavoro meccanico, per attrito, diventa calore, e trovare l'equivalenza tra lavoro e calore.

Mulinello di Joule, particolare, immagine da https://www.youtube.com/watch?v=A5GyEEfJlTQ

Mulinello di Joule, particolare, immagine da https://www.youtube.com/watch?v=A5GyEEfJlTQ

Il mulinello di Joule è un calorimetro, composto da un cilindro di metallo al cui interno, isolato, si trova un altro cilindro di rame, colmo d'acqua e contenente delle pale fisse di rame. Il mulinello è sorretto, ad una certa altezza, da un piedistallo di metallo al fine di far scendere in caduta libera i due pesi posizionati ai poli opposti della struttura. Questi sono collegati tramite due carrucole all'albero con le pale e ne provocano la rotazione durante la loro discesa. Il sistema raggiunge una velocità di regime dovuta all'attrito tra le pale e l'acqua, cui conseguono l'aumento della temperatura dell'acqua e la caduta rallentata dei pesi. Prima di iniziare la discesa dei pesi bisogna misurare la temperatura iniziale dell'acqua contenuta nel calorimetro. Quando i pesi hanno raggiunto il suolo, si misura la temperatura finale dell'acqua, ricavando la variazione di energia interna derivante dall'azione meccanica del mulinello.

L'esecuzione dell'esperimento è molto delicata poiché l'innalzamento della temperatura è di pochi decimi di grado centigrado. Per rendere questa variazione apprezzabile e misurabile, dopo aver posto l'albero con le pale nel cilindro di rame all'interno del cestello di metallo, questo viene chiuso con un coperchio (isolamento termico) che presenta due aperture: una per l'albero e l'altra per il termometro. Quest'ultimo va scelto in base alla sensibilità e alla precisione, cioè con portata limitata intorno alla temperatura ambiente. Prima di iniziare, infatti, si deve tenere il tutto lontano da fonti di calore e per il tempo necessario affinché il mulinello sia a temperatura ambiente; occorre, quindi, anche un termometro esterno all'apparato di misura, per rilevare la temperatura ambiente, in modo da verificare che sia raggiunto l'equilibrio termico.

Una operazione preliminare consiste nel misurare l'equivalente in acqua del calorimetro per tener conto di quanto calore verrà assorbito da questo durante l'esperimento. Poi si fanno scendere i due pesi e si misura la temperatura per prova. Rapidamente, usando la manovella posta sopra all'albero, si risollevano i pesi e si fanno ridiscendere. Questa operazione va fatta molte volte per ottenere un aumento apprezzabile della temperatura. Joule fece in modo di evitare che l'albero ruotasse nel cilindro durante la risalita, scollegandolo momentaneamente dal tamburo di avvolgimento delle funicelle.

Chi vuole svolgere la misura nel modo più accurato possibile, in un normale laboratorio, deve tenere in conto che l'energia potenziale dei due pesi si trasforma in gran parte in energia termica all'interno del calorimetro, di cui una parte è assorbita dallo stesso calorimetro, ma anche in energia cinetica (che richiede la misura della velocità finale dei pesi) e in energia di rotazione delle carrucole (la misura della loro velocità angolare è il rapporto tra la velocità del peso e il raggio esterno della carrucola; il momento di inerzia richiede la misura del raggio esterno e del raggio interno della carrucola). In tutto questo procedimento non si può certo misurare la perdita di energia dovuta agli attriti esterni.

Immagine da https://it.wikipedia.org/wiki/Mulinello_di_Joule#:~:text=apparati%20appena%20descritti.-,Procedimento,osservati%20gli%20effetti%20dell'attrito.

Immagine da Lab2Go

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Joule rifece l'esperimento parecchie volte, riuscendo addirittura a misurare la quantità di energia cinetica acquistata dai due pesi durante la discesa, per raffinare il risultato. Nel 1849 pubblicò i suoi risultati: 772 libbre che cadono dall'altezza di 1 piede riscaldano 1 libbra di acqua di 1 °F.
Oggi, nel S. I., $1\ J = 1\ N \cdot 1\ m$, e si trova che occorrono $4186\ J$ per scaldare di $1\ K$ la massa di $1\ kg$ di acqua distillata da $287.65\ K$ a $288.65\ K$ di temperatura. Maggiori dettagli nella pagina Esperienza: equivalente meccanico della caloria.