12. Calore e moto molecolare. — Impiegando lavoro si può accrescere l’energia visibile di un corpo, cioè la sua forza viva, ovvero comunicargli un’energia potenziale elastica, deformandolo. Se poi si aumenta la temperatura di un corpo, comunicandogli calore o energia termica, con che il corpo aumenta di volume, il calore fornito produrrà in generale tre effetti: anzitutto se il corpo è sottoposto alla sua superficie a delle forze esterne, queste vengono vinte durante la dilatazione, e si ottiene con ciò un lavoro esterno; inoltre si modifica la distanza delle particelle del corpo, e si aumenta per ciò la loro energia potenziale mutua, poichè tra le particelle si esercitano le forze molecolari; infine viene accresciuta la forza viva media delle molecole nei movimenti rapidissimi che esse eseguono o intorno a una posizione media, come nei solidi, o nella loro traslazione attraverso alla massa, come negli aeriformi.

Per molte ragioni, che qui non è possibile riferire, si è dovuto riconoscere che la temperatura di un corpo, cioè quel particolare stato per cui il calore passa da un corpo agli altri con maggiore o minore facilità, dipende esclusivamente dalla forza viva media dello particelle del corpo, e che anzi, per lo meno nel caso degli aeriformi, quando due corpi sono alla stessa temperatura, le loro molecole hanno la stessa forza viva media, qualunque sia la loro massa. In quest’ordine d’idee se si batte con un martello contro una campana o contro un blocco di piombo, si ha nel primo caso un suono, cioè la forza viva del martello diviene energia vibratoria elastica della campana: mentre nel secondo caso il piombo si riscalda, cioè la forza viva del martello accresce l’energia vibratoria invisibile delle molecole del piombo.

Possiamo adunque dire che l’energia calorifica comunicata a un corpo si trasforma in energia meccanica relativa al lavoro esterno, in energia potenziale corrispondente al lavoro interno, e in forza viva molecolare corrispondente all’elevamento di temperatura. Le ultime due parti, insieme, aumentando l’energia interna del corpo, il cui ammontare totale ci è sconosciuto, ma di cui noi possiamo valutare le variazioni.

Nei solidi e nei liquidi, essendo piccola la dilatazione, il lavoro esterno dovuto al riscaldamento è trascurabile. Negli aeriformi poi le molecole sono sensibilmente sottratte a ogni mutua attrazione, cosicchè l’energia interna si riduce praticamente alla loro forza viva molecolare.

Ne risulta una conseguenza notevole riguardo al lavoro che un gas può eseguire nell’espandersi, e al lavoro necessario per comprimerlo. Si immagini un gas rinchiuso in un cilindro e limitato da uno stantuffo perfettamente mobile (fig. 17). La tendenza espansiva dell’aeriforme è compensata dalla pressione esterna, che ci converrà rappresentare con dei pesi disposti sopra lo stantuffo. Diminuendo alquanto i pesi medesimi, il gas si espanderà spingendo lo stantuffo, e solleverà i pesi rimanenti; eseguirà cioè un lavoro esterno. Se il gas fosse assimilabile a una molla compressa, il lavoro ottenuto sarebbe tutto diminuzione dell’energia potenziale elastica posseduta dalla molla. Ma poichè il gas non possiede energia potenziale interna, donde proviene il lavoro esterno ottenuto? per il principio della conservazione dell’energia esso non può derivare che da una diminuzione dell’energia cinetica interna, cioè della forza viva molecolare, e perciò il gas si dovrà raffreddare durante l’espansione e il conseguente sollevamento dei pesi. L’esperienza conferma questa previsione, e difatti i gas compressi nell’espandersi, con produzione di lavoro esterno, si raffreddano, come si è potuto accertare con mezzi opportuni.

Se, inversamente, aumentiamo i pesi gravanti sullo stantuffo, questo discenderà fino a che, per il diminuito volume, la pressione aumentata del gas faccia equilibrio alla nuova pressione esterna. Ma in questo processo i pesi tutti discendono, cioè la gravità compie un lavoro contro il gas, come farebbe contro una molla: e poichè il gas non possiede e non acquista energia potenziale interna, se ne dovrà aumentare la forza viva molecolare, cioè la temperatura. Ed effettivamente l’esperienza conferma che un gas si riscalda quando venga compresso.

La teoria cinetica dei gas ci permette di penetrare nel meccanismo di queste modificazioni della velocità molecolare per il moto dello stantuffo. E invero, finchè lo stantuffo discende, le molecole che urtano contro di esso rimbalzano con una velocità maggiore di quella con cui gli vennero incontro, mentre quando lo stantuffo si solleva le molecole che lo urtano lo accompagnano alquanto nella salita, cedendogli forza viva, e tornano indietro perciò con minore velocità.