DI OMAR ANTONIO ZOUBI
Qual è il nemico?
Mentre noi ci concentriamo, e sprechiamo risorse per combatter contro noi stessi, un fato terribile e un nemico più grande incombe su di noi, già dall’alba dei tempi.
Chi è?
Probabilmente, a questo punto, i più brillanti di voi staranno pensando: all’effetto serra, allo scioglimento dei ghiacciai, al cambiamento delle stagioni, oppure al buco dell’ozono; tutto questo è dovuto ad un solo avversario che ai più è ignoto e nell’ombra agisce continuamente indisturbato (e sarebbe meglio disturbarlo). Prima di svelarvi costui, devo fornirvi degli strumenti per poterne comprendere a fondo la natura.
Ebbene questo è l’obbiettivo del mio articolo, quindi tenetevi forte, perché sarà un viaggio straordinario.
La completa comprensione di questo tema deve essere accompagnata dall’introduzione di alcune leggi universali che ci accompagnano nella vita di tutti i giorni, ci appelliamo dunque alla termodinamica: il primo principio, ci dice che non possiamo vincere; il secondo principio, ci dice che non possiamo nemmeno pareggiare (è una guerra persa); il terzo principio, ci dice che non possiamo non combattere (da questa guerra non si scappa).
Ma come siamo arrivati a tali affermazioni? Dovremo fare appello a un pochino di storia (tranquilli, è molto breve).
Carnot visse durante la Francia di Napoleone ed era un fisico; era affascinato dalla nuova tecnologia che si stava sempre di più diffondendo, ossia i treni a vapore e quindi decise di sviscerarla studiando come il calore è trasformato in lavoro meccanico (ma cosa significa?). Per comprendere questo concetto dobbiamo appellarci all’energia: essa è conosciuta da molti in modi diversi; infatti se parlate con un elettrico, egli vi parlerà di energia elettrica; mentre se parlate con un nucleare, egli vi parlerà di energia nucleare; ma se adesso vi state chiedendo cos’è l’energia, ebbene nessuno lo sa! Tuttavia sappiamo che esiste, perché la osserviamo tutti i giorni declinarsi nelle sue diverse forme, per esempio nell’utilizzo del telefonino ci serviamo dell’energia elettrica, mentre nell’ uso della nostra macchina consumiamo energia termica; è sempre la stessa energia convertita nelle sue varie forme in lavoro a secondo dell’utilizzo (eh già, esiste anche gente che converte l’energia in riposo, ma quella è un’altra storia!).
La macchina termica è un dispositivo che sfrutta una differenza di temperatura per convertire l’energia termica in lavoro meccanico, questo processo avviene sfruttando il cosiddetto principio zero della termodinamica: quando toccate una pentola sul fuoco, vi scottate (perché?); ciò accade perché spontaneamente il calore passa da una sorgente più calda ad una più fredda, quindi, in questo caso, dalla pentola sul fuoco alla vostra mano e visto che supera il limite di temperatura che il vostro corpo può raggiungere, allora vi scottate; questo processo è alla base di ogni macchina termica.
La termodinamica è la branca della fisica che si occupa di studiare questi fenomeni, sicché le tre leggi particolarmente disturbanti enunciate prima (più il principio zero) sono i suoi capisaldi; tuttavia è essenziale menzionare la temperatura, perché essa monitora lo stato energetico del sistema, dal momento che più la temperatura è alta, maggiore sarà l’energia interna dell’oggetto considerato. Ciò significa che potremo ottenere più o meno lavoro in base alla temperatura; tuttavia com’è possibile che l’energia interna di un oggetto possa essere trasmessa a uno più freddo? Questo avviene perché il calore non è una proprietà del corpo, ma esso si trasmette (principio zero) da uno con temperatura maggiore a uno con temperatura minore (oppure energia interna se preferite, sono la stessa cosa).
Proprio su questo principio si basano i treni a vapore (e non solo!). Esatto, Sadi Carnot nel suo bellissimo libro “Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance” ha introdotto il concetto di calore come lo conosciamo adesso e ha studiato come si possa raggiungere l’efficienza più alta possibile, ovvero come trasferire la maggior parte del calore in un oggetto senza perdite; dunque se prendiamo una tazza di tè bollente, per raffreddarla, la versiamo in una uguale a temperatura ambiente; se il calore però si fosse conservato, allora dopo questa azione nulla sarebbe cambiato, dal momento che il calore stesso nella sua interezza si sarebbe trasmesso invariato alla seconda tazza… ma non funziona così: infatti, sempre, anche se poco, il calore si disperde e di conseguenza “è sprecato”. Carnot comprese questo concetto, e comprese che era impossibile raggiungere il 100% di efficienza, a prescindere dalla macchina termica utilizzata e dal suo scopo. Dobbiamo aspettare il 1864 quando Clausius, aiutandosi con il greco, conia la parola: “Entropia” (“En”: “dentro”, “tropos”: “trasformazione”).
L’Entropia (il famigerato nemico) è una funzione di stato: ovvero il risultato dipende solo dall’inizio e dalla fine, ma non dal percorso. Prendiamo per esempio una persona a caso affamata e un piatto di riso e tacchino, non importa dove, o come lo mangia: all’inizio il piatto sarà pieno e sicuramente alla fine esso sarà vuoto (esattamente questo è il comportamento che segue una funzione di stato).
L’Entropia è una grandezza fisica misteriosa perché, come il Tempo, essa è asimmetrica, ossia ha una sola direzione; infatti essa segue la direzione del Tempo (oppure si può dire che il Tempo segue la direzione dell’Entropia), e questa freccia è diretta verso il disordine: ciò significa che, presa qualsiasi cosa che produca lavoro a partire da una qualsiasi forma di energia, una parte di essa sarà sicuramente dispersa sotto forma di energia inutilizzabile (calore); ossia qualsiasi cosa facciamo, dal prendere l’autobus al respirare, una parte dell’energia spesa sarà inesorabilmente persa per sempre (nulla è eterno).
Adesso abbiamo le basi per discutere le tre leggi sopracitate, a partire dalla prima: come mai è impossibile vincere? Ebbene, il primo principio è una SENTENZA che afferma che, preso un oggetto isolato, è impossibile ottenere più lavoro rispetto all’energia consumata.
Immagina di avere una scatola magica che trasforma delle monete in giochi: hai un certo numero di monete (rappresentano la tua energia) che puoi investire in questa scatola magica; ogni volta che inserisci una moneta, la scatola produce un gioco nuovo (rappresenta il lavoro ottenuto dall’energia); ad esempio, se investi una moneta la scatola ti fornisce un gioco; se ne investi un’altra, ottieni un altro gioco. Ora, la scatola non può creare monete, quindi hai un numero limitato di giochi basato sulle monete che possiedi; anche se ne vuoi di più, non puoi estrarre più giochi del numero di monete che hai inserito; dunque se ne hai inserite cinque, puoi ottenere solo cinque giochi anche se ne desideri sette.
Questa è la prima legge della termodinamica: l’energia (monete) che investi nel sistema (scatola) è limitata e non puoi ottenere più lavoro (giochi) di quanto corrisponda all’energia che hai investito, puoi solo ottenere quanto investi; tuttavia se fosse possibile produrre più di quello che si investe, potremmo creare energia; invece questo chiaramente non è possibile, essa si trasforma ma non si crea.
La seconda ci dice che non possiamo pareggiare: perché? Ebbene il secondo principio è una CONSTATAZIONE e afferma che un sistema isolato tende al disordine; sembra dunque un concetto strano, ma in realtà ognuno di noi lo constata ogni giorno (dopo qualche esempio sarà tutto più chiaro):
- Diffusione del profumo: Immagina di spruzzare un po’ di profumo. Col passare del tempo, il profumo si diffonde nell’aria fino a raggiungere ogni parte della stanza. Anche se inizialmente era tutto concentrato nella boccetta, col tempo si è diffuso uniformemente, seguendo il principio dell’aumento dell’Entropia, poiché il profumo si è disperso non sarà più riutilizzabile e il disordine sarà aumentato (se considerassimo le molecole di profumo come biglie, immaginate di lanciarle nella stanza con la conseguenza che questa risulterà in disordine; ebbene è lo stesso concetto).
- Rottura di un uovo: Se rompi un uovo, esso non può tornare indietro e riacquisire la sua forma originale, ossia previa rottura (asimmetria dell’Entropia); anche se vorresti che le parti si riunissero per formare nuovamente l’uovo intero, il processo di rottura ha portato a un disordine e a una distribuzione casuale delle parti, in linea con il secondo principio.
- Il tempo e l’invecchiamento: Il secondo principio suggerisce che nel tempo le cose tendono a diventare meno ordinate e più disordinate, o “vecchie” (di nuovo asimmetria); per esempio, un’auto invecchia nel tempo, la vernice si scheggia, le parti si usurano e si ha una maggiore disgregazione, nonostante gli sforzi per la manutenzione. Questo esempio vale anche per il corpo umano, sebbene facciamo di tutto per diminuire l’Entropia nel nostro corpo, possiamo sì rallentare il processo diminuendo il più possibile l’energia dispersa, ma con il tempo questa energia (si intende quella dispersa) si accumulerà risultando nell’invecchiamento (anche se l’invecchiamento umano è una manifestazione complessa di molteplici fattori biologici, non solo dell’Entropia).
In sintesi, la seconda legge della termodinamica afferma che nei processi naturali, il disordine tende ad aumentare nel tempo, in conformità col principio dell’Entropia crescente, per cui essa segue la linea del Tempo.
Per capire come funziona la terza legge devo riprendere il luminare, Sadi Carnot, che alla fine dei suoi studi non solo teorizzò il calore, ma anche una macchina termica, che a differenza delle altre funziona a cicli reversibili: ovvero un ciclo reversibile permette alla macchina di utilizzare tutta l’energia immessa per produrre lavoro e in qualunque fase del processo puoi invertirlo e portare la macchina alle condizioni iniziali (come se una volta rotto un vaso, potresti, in ogni fase della rottura del vaso, riportarlo al suo stato originale schioccando, per esempio, le dita: questo è chiaramente un ciclo irreversibile, ma è solo per rendere l’idea più chiara).
Pensa a un ciclo reversibile come a un gioco di costruzione con dei mattoncini Lego: puoi costruire una torre e poi smontarla pezzo per pezzo per ricostruire esattamente la stessa torre. Invece immagina di avere un secchiello pieno d’acqua a due temperature diverse: una parte è calda e l’altra è fredda. Metti il secchiello su un tavolo e lascia che le temperature si mescolino lentamente fino a raggiungere un equilibrio. Questo, ebbene, è un ciclo irreversibile: una volta che l’acqua si è mescolata, non puoi tornare esattamente allo stesso punto senza fare del lavoro aggiuntivo (come raffreddare o riscaldare nuovamente l’acqua). Ma esattamente come funziona? Prendiamo come esempio il Ciclo di Carnot, che è una tipologia di ciclo termodinamico reversibile, che costituisce un punto di riferimento teorico per valutare l’efficienza massima possibile di una macchina termica reversibile, che opera tra due temperature diverse, una calda e una fredda.
Per trasformare tutta l’energia in lavoro, è necessario che la temperatura fredda sia equivalente allo zero assoluto (-273.15 °C). Piccolo problema: è impossibile raggiungere lo zero assoluto in un numero finito di passaggi, ovvero è impossibile trasformare tutta l’energia in lavoro.
Quindi, perché non si può non combattere? Ebbene la terza legge è una CONDANNA, che sostanzialmente ci dice che abbiamo bisogno di energia per fare qualsiasi cosa, dalla più banale alla più complessa; già solo respirare necessita energia: senza consumare energia, non puoi respirare e di conseguenza neanche vivere.
Se vogliamo vivere siamo costretti a combattere una guerra da cui non possiamo scappare, né tantomeno vincere.
Per riassumere il tutto vi faccio un bell’esempio che dovrebbe far chiarezza: allora prendi dei soldi; essi non possono essere generati (primo principio); puoi usarli per convertirli in oggetti che compri, ma con il tempo perdono valore (secondo principio); non puoi vivere senza (terzo principio).
Salutem dicit Omar Omero.
Fonti:
エントロピー増大則の正しい認識
The Most Misunderstood Concept in Physics
What is entropy? – Jeff Phillips
The physics of entropy and the origin of life | Sean Carroll
FISICA Teoria #28 – COS’È L’ENTROPIA (spiegato davvero bene)
Cos’è l’entropia?
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