I calori specifici dei solidi
Lezioni d'Autore
di Claudio Cigognetti
Un'esperienza sul calore specifico
VIDEO
La legge di Dulong e Petit (I)
Il calore specifico molare (ovvero
l’energia da trasferire a una mole
di sostanza per ottenere la
variazione unitaria della
temperatura)
era pari, per moltissimi elementi
solidi monoatomici, in
determinati intervalli di
temperatura, a un valore
prossimo a 3R, con R costante
dei gas.
La legge di Dulong e Petit (II)
Un modello di solido come insieme di
oscillatori giustifica la legge di Dulong e
Petit secondo la teoria cinetica.
Parlare solo di calore specifico e
conseguentemente di calore atomico, non
precisa in modo univoco la grandezza
fisica in questione, poiché esistono per lo
stesso sistema diversi calori specifici che
sono connessi al tipo di condizioni esterne
(pressione costante, volume costante).
La legge di Dulong e Petit (III)
Un modello di solido come insieme di
oscillatori giustifica la legge di Dulong e
Petit secondo la teoria cinetica.
Parlare solo di calore specifico e
conseguentemente di calore atomico, non
precisa in modo univoco la grandezza
fisica in questione, poiché esistono per lo
stesso sistema diversi calori specifici che
sono connessi al tipo di condizioni esterne
(pressione costante, volume costante).
La legge di Dulong e Petit (IV)
Tuttavia molti autori impegnati nella
ricerca, e si limitavano a discutere
genericamente sul "calore specifico" dei
solidi, e di "calore atomico" degli elementi.
In tal modo si semplificava notevolmente
una parte del problema; questo permise,
almeno in una fase iniziale, di raggiungere
importanti risultati (conviene ripetere che
nella vicinanze dello zero assoluto la
differenza dei due calori specifici
scompare).
●
Una nuova proposta sui calori atomici
dei solidi: Einstein 1907 (I)
Nel 1907 Albert Einstein pubblicò sulla
rivista Annalen der Physik l'articolo "La
teoria di Planck della radiazione e la teoria
del calore specifico", nel quale vennero
introdotte delle ipotesi tratte dal modello
quantistico di Planck che gli permisero di
ben approssimare il comportamento alle
basse temperature dei calori specifici dei
solidi.
Una nuova proposta sui calori atomici
dei solidi: Einstein 1907 (II)
Confronto delle
misure del
calore
specifico del
diamante
con la curva di
Einstein, tratto
dall’articolo del
1907
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (I)
Walther Nernst, quattro
anni dopo il suo arrivo
all’Istituto fisico chimico di
Berlino, costruiva nel 1909
il calorimetro proposto da
un suo collaboratore
Eucken e iniziava, da
solo, le misure del calore
specifico "assoluto" dei
solidi e dei liquidi alle
basse temperature.
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (II)
Misurare il calore specifico di una sostanza
a una certa temperatura è concettualmente
molto semplice e praticamente assai
complicato.
La definizione di questa grandezza
c=Q/mT (limite per T che tende a 0)
porta direttamente a suddividere il
problema della sua determinazione in due
parti...
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (III)
1. la valutazione del calore che serve per la
variazione della temperatura della sostanza
in esame;
2. la misura della temperatura prima e
dopo il riscaldamento (o raffreddamento).
Di conseguenza, gli strumenti "naturali" atti
a questo scopo sono quindi i calorimetri e i
termometri...
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (IV)
La soluzione adottata per le esperienze calorimetriche fu
intelligente ed essenziale.
1. La sostanza da esaminare, chiusa in un recipiente in cui
era praticato l’alto vuoto, doveva essere riscaldata da un filo
conduttore di platino percorso da corrente.
2. Lo stesso filo funzionava da termometro a resistenza.
3. Il calore fornito dal circuito per unità di tempo si
calcolava attraverso misure elettriche, mentre la variazione
della resistenza del filo permetteva di risalire alla variazione
di temperatura.
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (V)
Schema dell’apparato
sperimentale per le
misure dei calori
specifici utilizzato da
Nernst.
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (VI)
Curve sperimentali e
teoriche sui calori
specifici dei solidi
ottenute da Nernst.
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (VI)
Nernst era ormai arrivato a un punto di non
ritorno, egli si era convinto che l'annullarsi
dei calori specifici dei solidi e liquidi allo zero
assoluto, insieme a considerazioni
"molecolari", potesse giustificare la sua
teoria e, al tempo stesso, che l'insieme dei
valori ottenuti confermava le supposizioni di
Einstein.
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (VII)
Nernst ne concluse infatti che che:
... ci troviamo oggi nel mezzo di una riformulazione della
base della teoria cinetica della materia finora accettata.
Da una parte, una sua elaborazione coerente porta a un
formula della radiazione [del corpo nero] che è in
disaccordo con l'esperienza, […]; le conseguenze di quella
stessa teoria comprendono teoremi sui calori specifici
(costanza del calore specifico dei gas al variare della
temperatura, validità della regola di Dulong e Petit per le
temperature più basse) che sono contraddette del tutto
da molte misure. Come Planck ed Einstein hanno in
particolare fatto vedere, queste contraddizioni
spariscono se si limitano i moti degli elettroni e
degli atomi alle loro posizioni di equilibrio (dottrina
dei quanti di energia)....
Le esperienze del gruppo di Nernst sui calori
specifici dei solidi alle basse temperature
(1909-1911) (VIII)
La discussione sul
"teorema di
Nernst" da parte di
Planck e
la propaganda di
Nernst verso "la
teoria dei quanti di
energia di PlanckEinstein",
portarono al I
Congresso Solvay
del 1911.
FINE
Lezioni d'Autore
