II modo con il quale scienza e tecnica si sono sviluppate e hanno interagito negli ultimi due secoli ci ha abituati a pensare che i manufatti tecnici siano il prodotto dell'applicazione dei principi fisici di base. Quando si considera un motore si pensa che la sua realizzazione sia stato il frutto di ricerche teorico - sperimentali sulle correnti elettriche e sui loro effetti. Ma c'è un altro ambito nel quale la tecnica ha preceduto la scienza almeno nella sua prima fase di sviluppo: quello delle macchine termiche.

La prima macchina termica dell'era moderna, capace di sfruttare il calore prodotto dalla combustione di legna o carbone per la produzione di lavoro meccanico [movimento di ruote, sollevamento di carichi, ecc.], fu realizzata in Inghilterra nel 1695 dal tecnico inglese Thomas Savery. Altri due tipi di macchine termiche, che miglioravano le prestazioni
di questa prima macchina, furono realizzate, sempre in Inghilterra, nel 1705 e nel 1763, rispettivamente da Thomas Newcomen e James Watt; ma i principi teorici delle macchine termiche, cioè i primi abbozzi dei principi della Termodinamica furono invece proposti da Sadi Carnot solo nel 1824.

In questo ambito dunque non fu la scienza a generare la tecnica ma la tecnica a provocare la scienza divenendone oggetto di studio.

La macchina di Newcomen è essenzialmente costituita da una caldaia per la produzione di vapore, da un cilindro dotato di pistone mobile e da un serbatoio contenente l'acqua necessaria per raffreddare il cilindro. Il pistone è poi connesso a un sistema a bilanciere finalizzato al sollevamento di un carico.  
La macchina di Newcomen aveva il grave inconveniente di dover scaldare e raffreddare a ogni ciclo il cilindro e ciò comportava un forte rallentamento delle diverse fasi del ciclo stesso e un enorme spreco di calore. Perciò anche per queste macchine, il rendimento non superò mai lo 0,5%. L'invenzione, semplice quanto geniale, che consenti di eliminare questo inconveniente fu opera dello scozzese Watt

L'idea di Watt consistette nel realizzare la fase di condensazione all'esterno del cilindro
[consentendo a questo di rimanere sempre caldo], in un recipiente, permanentemente freddo, detto condensatore. Quando il pistone raggiunge il punto superiore della sua corsa, tramite apertura e chiusura di valvole, il vapore defluisce in un recipiente, detto condensatore, mantenuto sempre a bassa temperatura mediante una pioggia di acqua fredda. Nel condensatore, il vapore si trasforma in acqua liquida, creando uno stato di depressione che completa rapidamente lo svuotamento del cilindro, e richiama il pistone verso il basso. In questa fase la macchina di Watt veniva usata per compiere lavoro meccanico muovendo un sistema biella-m anovella capace di porre in rotazione un volano. La modifica di Watt consenti di ottenere rendimenti fino al 4%. un valore, questo, che allora rappresentò un successo tecnologico.   animazione macchina di Watt

Esercizi 19maggio

Il componente principale dell'apparato sperimentale utilizzato da Joule per le sue misure è costituito da un calorimetro di forma cilindrica in cui si trova un sistema di palette che possono ruotare all'interno di un calorimetro.Il sistema di palette può essere messo in rotazione mediante un apposito congegno, mosso a sua volta da due masse identiche che possono eseguire una data caduta.

Durante la caduta delle due masse, l'acqua viene agitata dal sistema di palette, producendo elevate forze di attrito interne al liquido. A tali forze corrisponde un lavoro di attrito misurato dalla variazione dell'energia potenziale delle due masse diminuita dell'energia cinetica di cui, alla fine le due masse sono dotate. Ripetendo N volte la caduta delle due masse, si ottiene un salto termico rilevabile con un termometro abbastanza sensibile e, in base a tale misura, si può determinare il calore trasferito alla massa d'acqua contenuta nel calorimetro.

In quell'esperimento erano state usate due masse $m_1$ e $m_2$ di valore complessivo $ 26,318 kg$. Tenendo però conto del fatto che le forze di attrito associate ai perni del sistema rotante, valutate sperimentalmente, avevano il valore di $1,8 N$, si poteva assumere una massa totale in caduta di $26,134 kg$. La velocità di caduta delle due masse raggiungeva quasi subito un valore costante pari a $0,0615  m/s$. La caduta si sviluppava su un tratto verticale di $1,6  m$ e veniva ripetuta 20 volte. In corrispondenza, l'acqua contenuta nel calorimetro, di massa 6 kg, subiva un salto termico di $0,313 °C$. L'equivalente in acqua delle palette e delle pareti del calorimetro, determinato sperimentalmente, valeva $0,275 kg$.

Le equazioni che esprimevano il lavoro meccanico L compiuto dalle masse
in caduca e il calore Q trasferito all'acqua erano dunque le due seguenti: $L=20(26.134*9.81*1.6-\frac{1}{2}*26.134*0.0615^2)=8203 J$

$Q=1000(6+0.275)*0.313=1964 cal$

Eseguendo il rapporto L/Q si ottiene: $L/Q=4.177 J/cal $ un valore che è molto prossimo a quello oggi più accreditato di $4,1855 J/cal $.

"Tali fatti conducono necessariamente alla conclusione che il calore non è
una sottile materia imponderabile, come per lo più si riteneva prima, ma che esso è piuttosto una particolare forma di movimento oscillatorio delle più piccole particelle materiali [...]. Secondo questo modo di vedere, nell'attrito e nell'urto il movimento dell'intera massa, che apparentemente si perde, si trasforma soltanto in un moto delle sue parti più piccole, mentre nel prodursi di forza impulsiva attraverso il calore accade l'opposto, cioè il movimento delle più piccole parti si trasforma in un movimento dell'intera massa."

H. Helmholtz, Sull'azione reciproca delle forze naturali. 1854

Esercizi 12maggio  16maggio