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Quando, verso la metà del 1800, Joule dimostrò che il calore è una forma di energia, l'idea che la materia fosse costituita di particelle elementari era tutt'altro che accettata.
I sistemi termodinamici venivano descritti attraverso "variabili macroscopiche" quali pressione, temperatura, volume, massa. Ancora oggi, la "termodinamica dei sistemi continui", modelli in cui non esistono componenti microscopiche, è un campo di ricerca attivo.
L'esperimento di Joule collegava due teorie fisiche completamente diverse, la meccanica e la termologia.
Era un collegamento estremamente interessante dal punto di vista tecnologico: in piena rivoluzione industriale, l'automazione delle fabbriche richiedeva una comprensione teorica delle prestazioni delle macchine termiche.
In meccanica, l'energia si conserva, trasformandosi ad esempio da potenziale in cinetica e viceversa.
Che cosa succede quando compiamo lavoro su un sistema termodinamico? Dove finisce l'energia meccanica che cediamo al sistema? Joule mostra che viene tradotta in calore e provoca un aumento di temperatura.
Il primo modello proposto, assumeva che i corpi possedessero un 'fluido calorico' che poteva fluire dai corpi caldi ai corpi freddi in maniera analoga ad un liquido tra due vasi comunicanti.
E' un modello oggi abbandonato, non tanto perché non descriva bene le transizioni termodinamiche, ma perché manca il collegamento con la meccanica.
Invece che di "quantità di fluido calorico" si preferisce parlare di "energia interna del sistema", pensata come l'energia globale dell'intero sistema: l'energia chimica dei legami tra le molecole e tra gli atomi, l'energia potenziale dovuta ad un eventuale campo esterno e soprattutto l'energia cinetica delle varie componenti, che in molti sistemi dà un contributo preponderante.
Studiando il modellino cinetico, abbiamo capito come legare la pressione agli urti che le particelle hanno con le pareti e la temperatura all'energia cinetica.
Abbiamo quindi suddiviso l'energia cinetica in una parte traslazionale (che contribuisce ad aumentare la pressione) e una parte rotazionale (che non contribuisce agli urti contro le pareti perché associata alla rotazione sul posto delle molecole).
Equipartizione
Equipartizione
Aumentando la temperatura, l'energia potenziale diventerà trascurabile rispetto all'energia cinetica. Quest'ultima, se il sistema è 'abbastanza caldo', si distribuirà equamente tra i gradi di libertà.
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