Termodinamica

Abbiamo già accennato al fatto che ogni corpo è un ammasso di atomi danzanti, che si attraggono, si respingono e si spostano da ogni parte. Maggiore è la temperatura di quel corpo e più veloce è il movimento degli atomi al suo interno. Allo stesso modo, quanto maggiore è il moto molecolare in un corpo, tanto più alta è la sua *temperatura. Insomma, il calore è  prodotto dal moto delle particelle e il moto delle particelle aumenta con l'aumento del calore. Quando eseguiamo un lavoro o quando facciamo sport provochiamo un aumento della probabilità che le nostre molecole si urtino fra di loro, infatti ci riscaldiamo fino a sudare, disperdendo **calorie nell'atmosfera attorno a noi. Mentre andiamo in bicicletta produciamo un lavoro (la fatica di pedalare) che trasforma l'energia di pressione esercitata sui pedali in energia cinetica (le ruote che girano). Tutte le parti in movimento delle bicicletta si riscaldano e anche il nostro corpo aumenta di temperatura a causa dell'aumento del moto molecolare cui sono sottoposti il nostro corpo e il sistema bicicletta. Parte dell'energia lavoro si trasforma così in energia termica. Strofinando un fiammifero su una superficie porosa provochiamo l'attrito sufficiente a produrre la scintilla che trasmette energia termica al combustibile (solido, liquido o gassoso) che intendiamo accendere. In ambedue i casi portati ad esempio, l'energia termica si disperde nell'atmosfera, per tornare a far parte del ciclo della natura, dove tutto muta e niente si distrugge. In altri sistemi creati dall'uomo, come i motori che fanno andare le macchine, le caldaie a vapore che fanno andare centrali termiche e navi, l'energia termica viene imprigionata per ottenere lavoro meccanico (il movimento di pistoni, ruote, turbine, eliche ecc.), che a sua volta si riconverte in calore ed  energia cinetica.

La Termodinamica è quella parte della fisica che si interessa dello scambio di energia fra i corpi o fra i sistemi. Nata nel diciannovesimo secolo, per studiare le leggi fisiche su cui si basava il funzionamento delle macchine a vapore, non ha un singolo padre e non è una singola legge ma è frutto di una ricerca portata avanti a più mani (ovvero a più cervelli) ed è un'insieme di regole, che sono poi confluite in tre principi fondamentali. Oggi ha un'importanza fondamentale addirittura per lo studio dell'Universo e delle sue origini.

Dei tre principi, il più fondamentale è il secondo, anche ai fini del nostro ragionamento sulla natura del tempo. Ma cominciamo dal primo.

Il primo principio della Termodinamica si esprime come il principio di equivalenza fra calore e lavoro e in maniera più estesa afferma  la conservazione dell'energia, come viene espresso dalla formula di Einstein: E=mc²

Il terzo principio della Termodinamica afferma che in nessun sistema può essere raggiunta la temperatura dello zero assoluto (-273° Celsius o -459,67° Fahrenheit) corrispondente allo zero della scala kelvin. A tale temperatura si avrebbe un'assenza assoluta di fluttuazione quantistica delle particelle, tanto che insieme alla loro velocità (pari a zero) se ne potrebbe conoscere anche l'esatta posizione. Cosa impossibile e in violazione del principio d'indeterminazione, secondo il quale non si possono conoscere nel contempo la velocità di una particella e la sua esatta collocazione nello spazio. E poi, un corpo le cui particelle fossero fisse, perfettamente immobili, non avrebbe alcuna forma di energia. Niente energia, niente massa. Quel corpo non esisterebbe.

Il secondo principio della Termodinamica afferma che ogni sistema, Universo compreso, va verso un sempre maggior numero di configurazioni, tende a un disordine senza ritorno (anche se statisticamente non si può negare la probabilità di una ricomposizione in direzione dell'ordine). Riprendiamo come esempio il nostro cubetto di lievito che viaggiava nel tempo. Appena tolto dal frigo e scartato era un parallelepipedo biancastro. Trascorrendo le ore e i giorni lo abbiamo visto decomporsi, diventare prima giallastro, poi verdognolo e maleodorante, fino a diventare un'informe grumo di muffa. Se abbiamo la pazienza di osservarlo per miliardi e miliardi di anni luce, difficilmente lo vedremmo ricomporsi in un parallelepipedo biancastro dalle proprietà lievitanti e quindi utilizzabile in cucina. Ma secondo la meccanica statistica (e la Termodinamica è una legge statistica) teoricamente non bisogna escludere un tale evento, anche se altamente improbabile.

Entropìa

Con il termine Entropìa si vuole descrivere il grado di disordine verso il quale tende un sistema fisico.  Usando una definizione non del tutto rigorosa, diciamo che l'entropia è l'unità di misura del disordine.

Vorrei precisare che il concetto di ordine e disordine è sempre da considerarsi relativo a quanto noi ci aspettiamo dalla configurazione di un sistema. Diciamo, ad esempio, che un bicchiere è un sistema configurato per contenere liquidi. In questo senso lo riteniamo ordinato rispetto alle nostre aspettative. Finché non ci cade dalle mani la sua configurazione esprime la più bassa entropia, ma se cadendo va in frantumi non lo consideriamo più come un sistema ordinato. Quello che era un bicchiere, sono ora mille pezzetti di vetro. L'oggetto che consideravamo nella giusta configurazione quando potevamo berci, una volta in frantumi assume diverse possibili configurazioni come sistema disordinato. La sua entropia raggiunge un valore alto e aumentano le possibilità che vada verso ulteriori forme di disordine, mentre si allontana sempre di più la possibilità che torni a ricomporsi come bicchiere. A dire il vero una possibilità ci sarebbe: se raccogliamo i cocci, li facciamo fondere in un crogiolo e poi versiamo il vetro liquido in uno stampo a forma di bicchiere, avremmo di nuovo un oggetto configurato per bere.  Potremo dire allora di aver eluso il secondo principio della Termodinamica?  Solo in apparenza, perché in realtà i pezzettini di vetro sparsi in disordine sono tornati ad essere bicchiere grazie al concorso di energie esterne (il nostro lavoro, il fuoco ecc.).  Energie appartenenti al sistema Terra, che appartiene al sistema solare. che fa parte dell'Universo, che comprende ogni forma di energia. Noi stessi e tutti gli esseri viventi sulla Terra rappresentiamo forme d'ordine nate dal disordine (cibo, aria, calore). Siamo sistemi aperti al contributo di energie esterne. Ma facciamo intimamente parte dell'Universo, sistema "chiuso", insieme al quale andiamo verso un'ineluttabile aumento di entropia.

Dal disordine può nascere l'ordine, ma ciò non è in contraddizione con il secondo principio della Termodinamica perché ogni sistema fisico, chimico o biologico segue comunque il destino dell'Universo, sistema chiuso del quale fa parte, attualmente in continua espansione e in direzione del maggior disordine. E' questa la direzione che il Tempo segue sin dalla propria nascita, al momento del Big bang.