Carnot e Kelvin

Oggi, un po' complice il caldo, voglio omaggiare due scienziati che hanno dato un contributo notevole allo sviluppo della termodinamica, dei quali ricorrono due bicentenari importanti: Carnot e Kelvin.

Sadi Carnot (1796-1832) manifestò il suo interesse per le scienze fisiche fin da quando era un gracile bambino. Studiò al politecnico; si interessò di arte, poesia e musica - da bravo figlio di un'eccellente pianista e di un docente di fisica e matematica. Il colera lo portò via troppo presto: tutti i suoi scritti furono bruciati, con altri effetti personali, per timore che fossero veicolo di contagio. 

La più importante opera che di lui è rimasta fu stampata nel 1824, due secoli fa: "Riflessioni sulla potenza motrice del fuoco". Alcuni punti importanti sono i seguenti:

• Il calore è in grado di produrre lavoro.
• Ciò è evidente sia in natura sia nelle macchine a vapore diffuse in Inghilterra.
• Si ipotizza una macchine termica ideale il cui principio di funzionamento concerne la variazione di volume di un gas.
• Un gas è un mezzo per trasferire calore: è il trasferimento di calore da una sorgente calda a una sorgente fredda a generare lavoro.
• "Ogni volta che esiste una differenza di temperatura, la forza motrice (lavoro) può essere prodotta".
• La forza motrice non dipende dalla sostanza utilizzata.
• "Nei corpi impiegati per produrre la forza motrice del calore non deve esserci alcun cambiamento di temperatura che non sia legato a un cambiamento di volume".

Mentre Carnot presentava al pubblico parigino la sua opera, a Belfast nasceva William Thomson, del quale il 26 giugno ricorre il bicentenario della nascita. Fu docente all'università di Glasgow e per i suoi numerosi meriti scientifici fu nobilitato dalla Regina Vittoria con il nome di Lord Kelvin.

Cresciuto dal padre come figlio prediletto, da ragazzino era molto cagionevole di salute. Tra il 1839 e l'anno successivo studiò astronomia e si immerse nell'apprendimento delle lingue, viaggiando nell'Europa continentale. La lettura della "Teoria analitica del calore" di Fourier lo impressionò; nel 1841 scrisse "Sul moto uniforme del calore nei solidi omogenei e sua connessione con la teoria matematica dell'elettricità". Nello stesso anno iniziò gli studi a Cambridge, ove praticò sport quali atletica e canottaggio; si laureò nel 1845 per proseguire gli studi con Regnault a Parigi. L'anno successivo, a soli 22 anni, fu nominato professore di filosofia naturale a Glasgow.

Nel 1847 ad Oxford, ascoltò Joule affermare che il calore si trasforma in lavoro e il lavoro si trasforma in calore. Forte della lettura delle "Riflessioni..." di Carnot, egli era pienamente d'accordo sulla prima parte e inizialmente scettico sulla seconda. Si impegnò intanto in una serie di esperimenti dimostrando che la temperatura di fusione del ghiaccio diminuisce ad aumentare della pressione.

Nel 1848, mentre l'Europa era attraversata dallo spettro delle rivoluzioni e Marx pubblicava il suo "Manifesto...", il futuro Lord Kelvin propose la scala della temperatura assoluta, oggi detta scala Kelvin in suo onore, in cui una unità di calore che passa da un corpo A con una temperatura T a un corpo B con temperatura T-1 produce lo stesso lavoro qualunque sia il valore di T.

Premesso ciò, si evince che esiste un punto con T = 0 in cui il trasferimento di calore non è possibile: lo zero assoluto.

Si suppone che il trasferimento di calore sia abbastanza indipendente dalle proprietà fisiche di ogni specifica sostanza.

Nel 1851, egli affermò che "l'intera teoria della potenza motrice del calore è fondata su due proposizioni, dovute rispettivamente a Joule, Carnot e a Clausius".

Continuando: "è impossibile, per mezzo di un qualsivoglia agente immateriale inanimato, ricavare un effetto meccanico (lavoro) da una qualsiasi parte di materia inanimata raffreddandola al di sotto della temperatura del più freddo degli oggetti circostanti".

Tra il 1852 e il 1856 fu in contatto epistolare con Joule; tra il 1855 e il 1867 collaborò con Peter Guthrie Tait alla stesura di un "Trattato di filosofia naturale" che voleva unificare i campi della fisica sotto il principio comune dell'energia.

Si occupò anche di elettricità: inventò la bilancia delle correnti per specificare l'ampere come unità di misura e riconobbe l'intuizione di Tesla sulle correnti alternate affermando che l'ingegnere serbo "ha contribuito alla scienza elettrica più di ogni altro uomo fino a oggi" (1896). Fu scettico sull'utilità dei raggi X ma si fece fare una radiografia della mano; non credeva possibile lo sviluppo dell'aeroplano.

A lui è attribuita la predizione della fine della fisica, una volta dissipate le "nubi oscure sulla teoria dinamica del calore e della luce", riguardanti il problema del corpo nero e l'esperimento di Michelson - Morley. Al primo, risposero Planck con la teoria dei quanti ed Ehrenfest con il principio di equipartizione dell'energia; al secondo, Einstein con la Relatività.

Morì a Largs il 17 dicembre 1907 e fu sepolto a Westminster accanto a Newton.