88.fisici britannici nella seconda metà dell’800: kelvin e la scala delle temperature assolute. stokes. rayleigh. nerst ed il terzo principio della termodinamica. di vincenzo brandi. william thomson (1824-1907), più tardi nominato lord kelvin dalla regina vittoria per meriti scientifici, e sepolto a westminster accanto a newton ed all’omonimo j.j. thomson (n. 98), è stato un autentico monumento della fisica britannica; anche se forse i meriti di kelvin, proveniente da una grande famiglia scozzese di professori e scienziati, sono stati sopravvalutati, essendo stata in definitiva la sua maggiore realizzazione di carattere più ingegneristico che scientifico, come vedremo nel seguito. dopo un periodo di studio presso la prestigiosa università di cambridge, ed un viaggio di istruzione in francia – dove ebbe modo di conoscere l’opera di jean-baptiste joseph fourier (n. 67) sulla trasmissione del calore, le opere di fresnel e laplace (nn. 66 e 70), ed aver appreso attraverso clapeyron notizie sull’opera quasi dimenticata di sadi carnot (n. 73) – thomson divenne professore presso l’università di glascow, dove rimase tutta la vita. a suo merito va ascritta la riscoperta ed il rilancio dell’opera di carnot, avvenuto intorno al 1849, in cui erano già presenti “in nuce” – nella sua trattazione di una macchina ideale e di un ciclo termico ideale di massima efficienza - sia il primo che soprattutto il secondo principio della termodinamica. thomson, però, vide nell’opera del fisico francese una contraddizione tra primo principio, messo a punto in quegli anni da joule (n. 77), secondo il quale vi era un’equivalenza tra lavoro meccanico e calore, e l’impossibilità di trasformare integralmente il calore in lavoro meccanico nella macchina ideale ipotizzata da carnot. come abbiamo visto quando abbiamo parlato dell’opera di clausius (n. 78), si deve al grande scienziato tedesco aver chiarito che non c’è contraddizione in quanto solo una parte del calore è trasformato in lavoro mentre un’altra parte è necessariamente sprecata per l’impossibilità di trasferire calore da un corpo più freddo ad uno più caldo. nel suo scritto del 1951, “sulla teoria dinamica del calore“, thomson accettò le tesi di clausius dando una definizione leggermente diversa del secondo principio, secondo cui: “nessuna parte di materia può produrre lavoro raffreddandosi al di sotto del corpo più freddo presente nel sistema considerato”. un’altra definizione attribuita a thomson e planck afferma che: “se calore proveniente da una fonte calda produce lavoro, una parte dovrà essere necessariamente assorbita da una fonte fredda”. thomson accettò anche il più generale principio di conservazione dell’energia messo a punto dai tedeschi meyer e soprattutto helmholtz in quegli anni e dette poi un notevole contributo agli studi di termodinamica. la sua più nota proposta fu quella di adottare una scala delle temperature assoluta, cioè una scala che prescindesse dalle sostanze usate nei termometri – come gas e mercurio – e si basasse sul lavoro ottenibile da un aumento di un grado in un ciclo di carnot, che secondo lui, avrebbe avuto un valore costante al variare della temperatura (idea rivelatasi inesatta). la scala sarebbe dovuta partire dallo “zero assoluto”, ovvero da quella temperatura minima (ideale) per cui l’efficienza del ciclo di carnot risulterebbe del 100%. solo nel 1954 sarà effettivamente definita una scala assoluta che parte dallo “zero assoluto” (circa -273 gradi centigradi) e che sarà definita in onore di thomson: “scala kelvin”. basandosi sul concetto di “zero assoluto”, il chimico-fisico tedesco walther nernst (1864-1941) – premio nobel per la chimica nel 1920 - formulerà tra il 1906 ed il 1912 il terzo principio della termodinamica, secondo cui è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di operazioni (anche se nel corso dell’800 lo scienziato britannico james dewar, 1842-1923, riuscì a liquefare vari gas fino a temperature bassissime vicine allo zero ed a conservarli in vasi isolanti tuttora adoperati in fisica, in chimica e nell’industria). secondo il terzo principio, in prossimità dello zero assoluto l’entropia diviene costante ed ogni attività chimico-fisica si arresta. le previsioni di thomson nel campo termico non furono sempre fortunate. ben nota è la sua polemica nei confronti dei seguaci di darwin che, sulla base del

ritrovamento di fossili e della teoria dell’evoluzione, calcolavano un’età della terra molto elevata. thomson, sulla base del calcolo del progressivo raffreddamento della terra, riteneva che fosse solo di qualche decina di milioni di anni. questo risultato si rivelò inesatto (in realtà l’età della terra è di 4,5 miliardi di anni) per non aver egli considerato il fatto che la parte sottostante alla crosta terrestre è liquida, ipotesi esatta avanzata dall’ingegnere irlandese john perry, collaboratore dello stesso kelvin, e per non avere considerato il calore prodotto nelle reazioni di decadimento nucleare. thomson si interessò anche di elettromagnetismo, campo in cui fu sempre piuttosto diffidente verso le equazioni di maxwell, avendo un’impostazione meccanicistica ed essendo favorevole a modelli meccanici. scoprì l’effetto thomson, che riguarda la generazione di una corrente elettrica tra due punti di un metallo a diversa temperatura. inoltre, insieme a joule scoprì l’effetto joule-thomson, che riguarda il raffreddamento di un gas che fluisce in una strozzatura. brevettò una notevole serie di apparecchiature per l’industria (lampade, bussole, dinamo, apparecchiature telegrafiche). il suo successo più grande riguardò un campo che riguarda più l’ingegneria che la fisica. chiamato come consulente dalle società che stavano stendendo i cavi telegrafici transoceanici tra l’europa e l’america, che davano luogo ad una serie di malfunzionamenti che ne impedivano l’uso, tra il 1856 ed il 1866 risolse brillantemente tutti i problemi permettendo la realizzazione di questa importante opera. tra gli scienziati che collaborarono con lui in varie ricerche si deve ricordare l’amico professore irlandese george gabriel stokes (1819-1903), alla cui opera si è già accennato al n.73, che si interessò di idrodinamica dei fluidi incomprimibili (ben nota l’equazione di stokes relativa ad una sfera che affonda in un fluido viscoso) e di ottica (fenomeni di rifrazione, diffrazione e doppia rifrazione, studio delle lunghezze d’onda e della polarizzazione delle onde luminose). individuò i raggi ultravioletti (uv). altro importante fisico inglese contemporaneo di thomson fu robert john strutt rayleigh (premio nobel nel 1904 per la scoperta dell’argon) che studiò le vibrazioni e la velocità delle onde sonore in relazione alla densità ed elasticità del mezzo. rayleigh si interessò anche dell’idrodinamica dei fluidi viscosi e dei fenomeni di diffusione della luce in presenza di mini-ostacoli diffusi (“scattering”), spiegando tra l’altro perché il cielo appare azzurro e poi rosso al tramonto. il testamento scientifico di w. thomson – lord kelvin si può considerare in una famosa conferenza da lui tenuta nel 1900, in cui egli, dopo aver orgogliosamente affermato che la fisica (di tipo meccanicistico-dinamico) avrebbe già chiarito tutti i principali aspetti della realtà, segnalava però due “nuvole” che si profilavano all’orizzonte: la teoria ondulatoria della luce di fresnel (e delle onde elettromagnetiche di hertz e maxwell), il cui significato rimaneva problematico, specie dopo che era dimostrata l’inesistenza di un mezzo elastico di supporto come l’etere (vedi l’esperimento di michelson-morley del 1881-1887), e le difficoltà riscontrate nella distribuzione statistica dell’energia (dovuta a maxwell e boltzmann). quest’ultimo problema era connesso alla difficoltà di stabilire una legge relativa alla radiazione del “corpo nero” (per cui non si riusciva ad applicare a tutto lo spettro la legge messa a punto dall’austriaco stefan). da queste due “nuvole” nasceranno nel ‘900 due teorie che rivoluzioneranno gran parte della fisica: la teoria della relatività e la fisica quantistica, di cui ci interesseremo nei prossimi numeri. l. geymonat, “storia del pensiero fil. e sc.”, opera citata in bibl. c. singer, “breve storia del pensiero sc.”, op. cit. in bibl. rba, “le grandi idee della scienza – kelvin”, op. cit. in bibl.

William Thomson (1824-1907), più tardi nominato Lord Kelvin dalla Regina Vittoria per meriti scientifici, e sepolto a Westminster accanto a Newton ed all’omonimo J.J. Thomson (N. 98), è stato un autentico monumento della fisica britannica; anche se forse i meriti di Kelvin, proveniente da una grande famiglia scozzese di professori e scienziati, sono stati sopravvalutati, essendo stata in definitiva la sua maggiore realizzazione di carattere più ingegneristico che scientifico, come vedremo nel seguito.

Dopo un periodo di studio presso la prestigiosa università di Cambridge, ed un viaggio di istruzione in Francia – dove ebbe modo di conoscere l’opera di Jean-Baptiste Joseph Fourier (N. 67) sulla trasmissione del calore, le opere di Fresnel e Laplace (NN. 66 e 70), ed aver appreso attraverso Clapeyron notizie sull’opera quasi dimenticata di Sadi Carnot (N. 73) – Thomson divenne professore presso l’Università di Glascow, dove rimase tutta la vita.

A suo merito va ascritta la riscoperta ed il rilancio dell’opera di Carnot, avvenuto intorno al 1849, in cui erano già presenti “in nuce” – nella sua trattazione di una macchina ideale e di un ciclo termico ideale di massima efficienza - sia il primo che soprattutto il secondo principio della Termodinamica. Thomson, però, vide nell’opera del fisico francese una contraddizione tra primo principio, messo a punto in quegli anni da Joule (N. 77), secondo il quale vi era un’equivalenza tra lavoro meccanico e calore, e l’impossibilità di trasformare integralmente il calore in lavoro meccanico nella macchina ideale ipotizzata da Carnot. Come abbiamo visto quando abbiamo parlato dell’opera di Clausius (N. 78), si deve al grande scienziato tedesco aver chiarito che non c’è contraddizione in quanto solo una parte del calore è trasformato in lavoro mentre un’altra parte è necessariamente sprecata per l’impossibilità di trasferire calore da un corpo più freddo ad uno più caldo. Nel suo scritto del 1951, “Sulla Teoria Dinamica del Calore“, Thomson accettò le tesi di Clausius dando una definizione leggermente diversa del secondo principio, secondo cui: “nessuna parte di materia può produrre lavoro raffreddandosi al di sotto del corpo più freddo presente nel sistema considerato”. Un’altra definizione attribuita a Thomson e Planck afferma che: “se calore proveniente da una fonte calda produce lavoro, una parte dovrà essere necessariamente assorbita da una fonte fredda”. Thomson accettò anche il più generale principio di conservazione dell’energia messo a punto dai tedeschi Meyer e soprattutto Helmholtz in quegli anni e dette poi un notevole contributo agli studi di termodinamica. La sua più nota proposta fu quella di adottare una Scala delle Temperature Assoluta, cioè una scala che prescindesse dalle sostanze usate nei termometri – come gas e Mercurio – e si basasse sul lavoro ottenibile da un aumento di un grado in un ciclo di Carnot, che secondo lui, avrebbe avuto un valore costante al variare della temperatura (idea rivelatasi inesatta). La scala sarebbe dovuta partire dallo “zero assoluto”, ovvero da quella temperatura minima (ideale) per cui l’efficienza del ciclo di Carnot risulterebbe del 100%. Solo nel 1954 sarà effettivamente definita una scala assoluta che parte dallo “zero assoluto” (circa -273 gradi centigradi) e che sarà definita in onore di Thomson: “Scala Kelvin”.

Basandosi sul concetto di “zero assoluto”, il chimico-fisico tedesco Walther Nernst (1864-1941) – premio Nobel per la chimica nel 1920 - formulerà tra il 1906 ed il 1912 il Terzo Principio della Termodinamica, secondo cui è impossibile raggiungere lo zero assoluto con un numero finito di operazioni (anche se nel corso dell’800 lo scienziato britannico James Dewar, 1842-1923, riuscì a liquefare vari gas fino a temperature bassissime vicine allo zero ed a conservarli in vasi isolanti tuttora adoperati in fisica, in chimica e nell’industria). Secondo il Terzo Principio, in prossimità dello zero assoluto l’entropia diviene costante ed ogni attività chimico-fisica si arresta.

Le previsioni di Thomson nel campo termico non furono sempre fortunate. Ben nota è la sua polemica nei confronti dei seguaci di Darwin che, sulla base del

ritrovamento di fossili e della teoria dell’evoluzione, calcolavano un’età della Terra molto elevata. Thomson, sulla base del calcolo del progressivo raffreddamento della Terra, riteneva che fosse solo di qualche decina di milioni di anni. Questo risultato si rivelò inesatto (in realtà l’età della Terra è di 4,5 miliardi di anni) per non aver egli considerato il fatto che la parte sottostante alla crosta terrestre è liquida, ipotesi esatta avanzata dall’ingegnere irlandese John Perry, collaboratore dello stesso Kelvin, e per non avere considerato il calore prodotto nelle reazioni di decadimento nucleare.

Thomson si interessò anche di elettromagnetismo, campo in cui fu sempre piuttosto diffidente verso le equazioni di Maxwell, avendo un’impostazione meccanicistica ed essendo favorevole a modelli meccanici. Scoprì l’effetto Thomson, che riguarda la generazione di una corrente elettrica tra due punti di un metallo a diversa temperatura. Inoltre, insieme a Joule scoprì l’effetto Joule-Thomson, che riguarda il raffreddamento di un gas che fluisce in una strozzatura. Brevettò una notevole serie di apparecchiature per l’industria (lampade, bussole, dinamo, apparecchiature telegrafiche). Il suo successo più grande riguardò un campo che riguarda più l’ingegneria che la fisica. Chiamato come consulente dalle società che stavano stendendo i cavi telegrafici transoceanici tra l’Europa e l’America, che davano luogo ad una serie di malfunzionamenti che ne impedivano l’uso, tra il 1856 ed il 1866 risolse brillantemente tutti i problemi permettendo la realizzazione di questa importante opera.

Tra gli scienziati che collaborarono con lui in varie ricerche si deve ricordare l’amico professore irlandese George Gabriel Stokes (1819-1903), alla cui opera si è già accennato al N.73, che si interessò di idrodinamica dei fluidi incomprimibili (ben nota l’equazione di Stokes relativa ad una sfera che affonda in un fluido viscoso) e di ottica (fenomeni di rifrazione, diffrazione e doppia rifrazione, studio delle lunghezze d’onda e della polarizzazione delle onde luminose). Individuò i raggi ultravioletti (UV). Altro importante fisico inglese contemporaneo di Thomson fu Robert John Strutt Rayleigh (premio Nobel nel 1904 per la scoperta dell’Argon) che studiò le vibrazioni e la velocità delle onde sonore in relazione alla densità ed elasticità del mezzo. Rayleigh si interessò anche dell’idrodinamica dei fluidi viscosi e dei fenomeni di diffusione della luce in presenza di mini-ostacoli diffusi (“Scattering”), spiegando tra l’altro perché il cielo appare azzurro e poi rosso al tramonto.

Il testamento scientifico di W. Thomson – Lord Kelvin si può considerare inuna famosa conferenza da lui tenuta nel 1900, in cui egli, dopo aver orgogliosamente affermato che la fisica (di tipo meccanicistico-dinamico) avrebbe già chiarito tutti i principali aspetti della realtà, segnalava però due “nuvole” che si profilavano all’orizzonte: la teoria ondulatoria della luce di Fresnel (e delle onde elettromagnetiche di Hertz e Maxwell), il cui significato rimaneva problematico, specie dopo che era dimostrata l’inesistenza di un mezzo elastico di supporto come l’etere (vedi l’esperimento di Michelson-Morley del 1881-1887), e le difficoltà riscontrate nella distribuzione statistica dell’energia (dovuta a Maxwell e Boltzmann). Quest’ultimo problema era connesso alla difficoltà di stabilire una legge relativa alla radiazione del “Corpo Nero” (per cui non si riusciva ad applicare a tutto lo spettro la Legge messa a punto dall’austriaco Stefan). Da queste due “nuvole” nasceranno nel ‘900 due teorie che rivoluzioneranno gran parte della fisica: la Teoria della Relatività e la Fisica Quantistica, di cui ci interesseremo nei prossimi numeri.

1. L. Geymonat, “Storia del Pensiero Fil. e Sc.”, opera citata in bibl.

2. C. Singer, “Breve Storia del Pensiero Sc.”, op. cit. in bibl.

3. RBA, “Le Grandi Idee della Scienza – Kelvin”, op. cit. in bibl.