official joule

Joule

&

l'energia

INDICE DEI CONTENUTI

1. Vita breve

5. Video esperimento

9. Effetto Joule

2. Timeline: concetto di calore nel tempo

10. Effetto Joule in formule

6. Esperimento in formule

7. Equivalente meccanico del calore

3. Scoperta

11. Domande interattive

In ogni pagina ci sono degli elementi interattivi, per visualizzarli, in alto a destra si trova una mano che evidenzia i pulsanti

4. Calore ed energia

8. Joule come unità di misura del S.I.

VITA BREVE

(per non annoiarvi troppo)

Per tutta la vita la sua attività principale fu amministrare la fabbrica di birra ereditata dal padre a Salford, il sobborgo di Manchester dove era nato il 24 Dicembre 1818. Morì l'11 ottobre 1889 a Sale.

James Prescott Joule fu fisico, chimico e produttore di birra. Lo scienziato, figlio di un agiato produttore di birra, scoprì il legame tra lavoro meccanico e calore. Joule è stato scienziato per passione, non per professione. Tra i suoi insegnanti ai corsi d'università ci fu anche il fondatore della teoria atomica della materia: John Dalton. In ogni caso Joule fu per lo più un autodidatta.

concetto di calore nella storia

V sec a.C.

XVIII - XIX sec d.C.

XVI - XVII sec d .C.

JOULE: Lo scienziato che scoprì il legame tra calore e lavoro

il calore è una forma d'energia

Dopo numerose sperimentazioni nel suo laboratorio, Joule dimostrò l'equivalenza tra calore e lavoro meccanico. Osservò infatti che questi potevano convertirsi direttamente l'uno nell'altro, mantenendo però costante il loro valore totale: nelle macchine idrauliche e meccaniche gli attriti trasformano il lavoro (potenza meccanica perduta) in calore e, viceversa, nelle macchine termiche il lavoro (l'effetto meccanico prodotto) deriva da una quantità equivalente di calore.

Si ponevano così le le basi sperimentali del primo principio della termodinamica.

l'esperimento che portò alla scoperta: il mulinello di joule

Detto in maniera più scientifica...

"on the mechanical equivalent of heat"

Le sperimentazione con il mulinello consentirono a Joule di determinare l’equivalenza tra la caloria (ovvero l’unità di calore che serve per fare innalzare di 1 grado C la temperatura di un litro di acqua distillata) e il lavoro meccanico. Trovò così la seguente equivalenza:

1 cal =4,186 J

Joule nel SIstema internazionale

Il joule è l'unità di misura che nel S.I. indica calore, lavoro ed energia.

1 J = N ⋅ m

effetto joule

Scoprì inoltre, nel 1848, che un filo conduttore attraversato da corrente elettrica si riscalda. L'effetto Joule consiste proprio nella trasformazione di energia elettrica in calore.

effetto joule in formule

P è la quantità di lavoro che viene utilizzata, prodotta o dissipata in un'unità di tempo. Unità di misura: Watt

R (resistenza) capacità di far scorrere più o meno semplicemente la corrente elettrica. Unità di misura: Ohm (Ω)

P = R ⋅ i2

formula che segue la prima legge di Ohm e quindi applicabile ai conduttori ohmici

Intensità di corrente: numero di elettroni che percorrono il conduttore in un s. Unità di misura: Ampere (A)

Dimostrazione

SEI STATO ATTENTO? ORA VEDIAMO...

e dopo tutto sto calore... una FRESCA birra ci vuole!

sitologia

https://www.treccani.it/enciclopedia/james-prescott-joule_(Enciclopedia-dei-ragazzi)/

https://sapere.virgilio.it/scuola/medie/fisica/elettricita-magnetismo/leggi-ohm-definizione-formule#iol-toc-bb838c5548a8a678c82392d88dffcdb8

https://www.skuola.net/scienze-medie/differenza-potenziale.html

https://www.youmath.it/lezioni/fisica/elettricita/4916-effetto-joule-e-legge-di-joule.html

https://library.weschool.com/lezione/joule-legge-esperimento-spiegazione-resistenza-elettrica-elettromagnetismo-15067.html

https://www.chimica-online.it/download/joule.htm

https://www.chimica-online.it/download/primo-principio-della-termodinamica.htm

https://ingbrando.altervista.org/mulinello-di-joule/

https://www.treccani.it/enciclopedia/james-prescott-joule_(Enciclopedia-dei-ragazzi)/

https://www.aif.it/fisico/biografia-james-prescott-joule/

https://www.accademiadellescienze.it/accademia/soci/James-Prescott-Joule

https://biografieonline.it/biografia-james-joule

https://www.youtube.com/watch?v=CoY6g2ybpiA

P = R ⋅ i2

=(Ω ⋅ A2)=

ricorda:

• P in Watt (W)
• R in Ohm (Ω)
• i in Ampere (A)

=(V/A ⋅ A2)=

=(J/C ⋅ C/s)=

=(J/s)=

=(W)

Joule!!!!!

passa alla slide successiva! entriamo nel vivo della presentazione!

corrente spenta

Gli elettroni di conduzione, che sono sfuggiti agli atomi del metallo, si muovono liberamente, comportandosi come un gas. L'agitazione termica li fa muovere in tutte le direzioni e lo spostamento della carica media è nullo.

galileo e i corpicelli minimi

Galileo compie numerosi studi sul calore. Costruisce anche un termometro a gas per misurare la variazione di temperatura dei corpi. Egli riteneva il calore (che percepiamo noi) una sensazione generata da una moltitudine di particelle ("corpicelli minimi o ignei”) che si muovevano ad alta velocità. "Inclino assai a credere che […] quelle materie che in noi producono e fanno sentire il caldo, le quali noi chiamiamo con nome generale fuoco, siano una moltitudine di corpicelli minimi, in tal e tal modo figurati, mossi con tanta e tanta velocità, li quali, incontrando il nostro corpo, lo penetrino con la lor somma sottilità, e che il lor toccamento, fatto nel lor passaggio per la nostra sostanza e sentito da noi, sia l’affezione che noi chiamiamo caldo”.

La diminuzione di energia potenziale gravitazionale delle masse che scendono sotto l'effetto della forza peso viene convertita nell'energia cinetica rotazionale delle pale del mulinello. Questa a sua volta, per via dell'attrito, cede parte della sua energia che viene trasferita all'acqua.

Primo principio della termodinamica

«l'energia può essere convertita da una forma all'altra, ma non può essere nè creata nè distrutta»

Quindi: un sistema può variare il proprio contenuto di energia solo attraverso scambi di calore e di lavoro con l'ambiente

A dir la verità, Joule aveva sperimentato la quantità di lavoro meccanico (generato dall'attrito) necessaria per aumentare la temperatura di una libbra d' acqua di un grado Fahrenheit e aveva trovato un valore coerente di 778,24 piede libbra forza.

atomisti (leucippo e democrito)

Ritenevano che il calore fosse composto da atomi piccoli e leggeri, presenti all’interno dei corpi. La dilatazione termica e la fusione erano spiegate dal fatto che gli atomi di calore aumentassero le distanze tra gli atomi della materia.

1 J è il lavoro che viene svolto esercitando su un oggetto la forza di 1 newton per una distanza di 1 metro(ovvero è il lavoro compiuto dalla forza di 1 Newton quando essa sposta il suo punto di applicazione di un metro).

prima legge di ohm

Le leggi di ohm sono utilizzate per calcolare la relazione tra tensione, corrente e resistenza in un circuito elettrico. La prima legge dice che: “Nei conduttori metallici l’intensità di corrente elettrica (I) che li attraversa è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (V) presente ai loro capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore (R)”. in matematichese: V= R· i

CORRENTE ACCESA

A corrente accesa si genera un campo magnetico che spinge gli elettroni verso il polo positivo del generatore. Gli elettroni urtano gli ioni, cedendogli energia cinetica e facendo così aumentare l'energia interna del filamento della lampadina, la quale si riscalda.

I pesi, posti ad un'altezza h, vengono fatti cadere, azionando le palette che si trovano all’interno del contenitore isolato termicamente e perfettamente chiuso: esse mettono così in movimento l’acqua all’interno del contenitore. Joule osservò che l’energia potenziale iniziale dei pesi non equivaleva all’energia cinetica finale, ma ne mancava una piccola quantità. Tutto questo andava contro le teorie del tempo. Perciò mise nel contenitore un termometro e ripeté più volte consecutivamente la caduta dei pesi, in modo da aumentare la quantità di energia. Si accorse di un leggero aumento di temperatura, intuendo che l’energia mancante si era trasformata nel calore acquistato dall’acqua.

Joule nel suo laboratorio

mt è la massa complessiva dei corpi corpi che cadono (M+M) h è l’altezza da cui cadono ma è la massa d’acqua ΔT è la variazione di temperatura c è il calore specifico dell’acqua.

4,186 J è il calore specifico dell'acqua. Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore richiesta per aumentare la temperatura dell'unità di massa di 1 grado centigrado.

sapevi che...

ALTERNATIVE

P = V i (perchè R= V/i) V è la tensione elettrica, ovvero la forza che spinge gli elettroni attraverso un circuito. In termini più tecnici, si tratta della differenza di potenziale elettrico tra due punti in un circuito. Si misura in Volt

Q = R ⋅ i2 ⋅ T

"Q" è il calore prodotto "t" indica la frazione di tempo (espressa in secondi) presa in esame.

boerhaave, Black, lavoisier e la teoria del calorico

La teoria del calorico, sostenuta da Boerhaave, da Black e da Lavoisier (che gli conferisce il nome), afferma l'esistenza di un fluido imponderabile, il calorico, in grado di spostarsi da un corpo all'altro e di penetrare in qualsiasi spazio, attratto dalla materia. La teoria del calorico spiegava con successo molte osservazioni sperimentali: dal momento che gli oggetti caldi contengono più calorico degli oggetti freddi, il riscaldamento e il raffreddamento dei corpi era spiegato facendo ricorso al flusso di calorico verso l’interno o l’esterno di essi.

becher e la teoria del flogisto

La teoria del flogisto fu proposta da un medico tedesco, J.J. Becher, che lavorava tra alchimia e chimica. Questa consisteva nel presupporre l’esistenza di una sostanza chiamata appunto “flogisto” (dal greco ϕλογίζω "infiammare"), che si liberava sia quando veniva bruciato materiale organico, sia trattando materiali con il calore in aria libera. Si ipotizzò che questa sostanza avesse peso negativo o fosse priva di peso. La teoria fu perfezionata da un'altro medico, G.E. Stahl., ma presentava punti contradditori.