Termodinamica tra ordine e disordine

La termodinamica studia e descrive l’utilizzo del calore per la produzione di energia. Dalle prime intuizioni di Leibniz con l’idea di forza viva, alle riflessioni sulla forza motrice del fuoco di Sadi Carnot e alla prima legge della termodinamica, dal concetto di entropia di Clausius a quello di atomo di Boltzmann, vi accompagno in un viaggio straordinario alla scoperta dell’energia che ci fa funzionare e rimanere vivi.

Nel corso dei secoli, gli esseri umani realizzarono macchine in grado di produrre straordinarie quantità di energia per svolgere compiti fino ad allora inimmaginabili. Questo è successo grazie a molte persone e a molte ragioni. Vediamo insieme cosa e chi ha portato agli sviluppi della termodinamica e dove essa ci porterà in futuro.

Uno dei primi studiosi a tentare di capire l’essenza dell’energia fu Gottfried Leibniz (1646-1716). Attraverso lo studio dei meccanismi che fanno funzionare l’universo, Leibniz sostenne che il mondo è una macchina dove all’interno c’è una quantità fissa di forza viva messa lì da Dio durante il processo di creazione. Egli si mise a studiare i modi per catturare questa forza viva, in intuizioni che poi altri svilupparono. Con Leibniz teologia ed ingegneria andarono a braccetto.

Motore a vapore

Appena 150 anni dopo gli studi di Leibniz, lo sfruttamento della forza viva e le macchine che aveva studiato divennero una realtà con i motori a vapore. Fu Nicolas Leonard Sadi Carnot (1796-1832) a dare un contributo essenziale con le sue Riflessioni sulla forza motrice del fuoco. Carnot si rese conto che tutti i motori termici sono una fonte calda in un ambiente più fresco; egli sosteneva che il calore fosse una sorta di sostanza che fluiva dal caldo al freddo e, come l’acqua che cade da una certa altezza, questo flusso di calore poteva essere sfruttato per fargli eseguire un lavoro utile. L’intuizione cruciale di Carnot  mirava a dimostrare che, per rendere efficiente un motore termico, si doveva aumentare la differenza di temperatura tra la fonte di calore e l’ambiente più freddo. Questo principio è alla base della scienza della termodinamica.

Termodinamica Carnot

La prima legge delle termodinamica raccoglie le intuizioni sia di Leibniz che di Carnot. Essa afferma che l’energia non viene mai creata o distrutta (la quantità fissa di forza viva di Leibniz), ma cambia solo da una forma all’altra (sostanza che fluisce dal caldo al freddo di Carnot). Quindi in una macchina a vapore non viene creata energia, viene solo trasformata da calore a lavoro meccanico.

Rudolf Clausius (1822-1888) introdusse i principi che diedero voce alla seconda legge della termodinamica. Clausius cercò di scoprire come e perché avveniva questo passaggio di energia ed introdusse il concetto di entropia. Quando il calore viene trasformato da un corpo più caldo ad uno più freddo, aumenta sempre l’entropia, ossia la dispersione del calore, ossia il disordine fisico. La seconda legge della termodinamica afferma che tutte le cose che emanano calore sono in un qualche modo collegate tra di loro; tutto ciò che emana calore fa parte di un processo irreversibile che accade ovunque, un processo di diffusione e dispersione, un processo di crescente entropia.

Facciamo ancora un passo avanti ed arriviamo a Ludwig Boltzmann (1844-1906). Boltzmann studiò l’entropia, introdusse il concetto di atomi e la matematica delle probabilità. Egli sostenne che gli atomi potevano spiegare cosa fosse l’entropia, perché dovesse sempre aumentare e perché un oggetto caldo lasciato isolato si raffreddasse sempre. Egli spiegò così che, se un oggetto è caldo, significa che i suoi atomi, ossia le minuscole particelle di cui è composto, si muovono più rapidamente e collidono; mentre collidono, gli atomi sul bordo dell’oggetto passano la loro energia agli atomi sulla superficie del tavolo, poi questi atomi colpiscono i loro vicini e, in questo modo, l’energia termica, lentamente e naturalmente, si diffonde e si disperde. Boltzmann fu in grado di ricavare una formula per dimostrare la tendenza delle cose a passare dall’ordine (l’oggetto isolato) al disordine (la dispersione, l’entropia). Boltzmann sosteneva che l’universo stesso un giorno raggiungerà il livello di massima entropia e morirà.

Fonte di calore

Ordine e disordine sono dunque parole chiave nella logica dell’universo, ma è dal disordine che nasce la complessità ed è dal disordine che nasce un nuovo ordine alla base dell’evoluzione. Noi esseri umani siamo l’espressione di una complessità nata dal grande disordine del cosmo e consumiamo energia concentrata che disperdiamo per rimanere vivi; pensiamo, ad esempio, quando mangiamo un alimento, esso è pieno di ordinata energia che il nostro corpo elabora e trasforma in disordinata energia, alimentandosi di questo processo. Pensiamo, ad esempio, ad un auto; introduciamo ordinata energia sotto forma di benzina che il motore elabora e trasforma in disordinata energia, alimentandosi di questo processo. Sia gli esseri umani che le auto si alimentano attingendo al gigantesco flusso cosmico che va dall’ordine al disordine. Questa è fisica!

Il passaggio successivo, oggetto degli studi attuali, è sfruttare l’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo. Il tokamak è la macchina attraverso la quale i ricercatori cercano di riprodurre la capacità del Sole di generare energia, attraverso un processo di fusione termonucleare. Auguri!

Cinzia Malaguti

Videografia: video documentario Ordine e disordine – Energia su Rai Play