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Secondo principio della Termodinamica ed Entropia - Enunciati del secondo principio

fisica


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Secondo principio della Termodinamica ed Entropia.


"Non è sufficiente per generare forza motrice produrre del calore; occorre anche procurarsi del freddo, senza di questo il calore sarebbe inutile."


L'osservazione sopra riportata è una sintesi delle osservazioni di Carnot, che ci fa comprendere che le trasformazioni energetiche che avvengono in una macchina termica devono rispettare il primo principio a che tale principio non include tutte le condizioni che le determinano. La produzione di lavoro necessita di dispositivi più complessi di quelli per la produzione di calore e offre la possibilità di trasformare un moto disordinato (calore) in un moto ordinato (lavoro): la natura chiede un contributo ogni volta che accade questa trasformazione. Calore e lavoro sono termini che si riferiscono al trasferimento di energia, infatti parlando di questi non ci riferiamo ad una forma di energia ma ad un modo per trasferirla.


Enunciati del secondo principio

Enunciato di Kelvin: non è possibile una trasformazione nella quale il solo risultato sia l'assorbimento di calore da una sola riserva termica (sorgente) e la sua completa conversione in lavoro.




La presenza di uno scambiatore termico a bassa temperatura è indispensabile per convertire del calore in lavoro. Il punto più importante di questa formulazione è il concetto di asimmetria della natura. Esso afferma che è impossibile convertire completamente calore in lavoro ma non che, al contrario, trasformare completamente del lavoro in calore sia possibile.

Enunciato di Clausius: non è possibile effettuare una trasformazione il cui solo risultato sia il trasferimento di energia da un corpo più freddo ad un corpo più caldo.


Se permettiamo che si verifichino altre trasformazioni nell'universo possiamo fare in modo che avvenga un trasferimento da un corpo più freddo ad uno più caldo, ne è un esempio il frigorifero. Il secondo principio specifica ciò che è innaturale ma non ci proibisce di ottenerlo tramite una trasformazione naturale che avvenga altrove. Il postulato di Clausius, come quello di Kelvin, riconosce una fondamentale asimmetria della natura: in quello di Kelvin l'asimmetria esiste tra calore e lavoro, mentre in quello di Clausius il lavoro non viene apertamente menzionato. Il postulato di Clausius implica una asimmetria nella direzione in cui si verifica una trasformazione spontanea. Il fatto che sia necessario costruire dispositivi complessi per ottenere la refrigerazione e il condizionamento dell'aria e sia necessario il consumo di energia elettrica perché tali dispositivi funzionino è una prova della validità dell'enunciato di Clausius: sebbene il calore non fluisca spontaneamente verso un oggetto più caldo, possiamo fare in modo che esso fluisca in una direzione non naturale se permettiamo che altre trasformazioni avvengano altrove nell'universo.

Dimostreremo ora la validità di questi due enunciati con due procedimenti:

Supponiamo che il principio di Clausius non sia valido; mostriamo che in tale caso non vale neppure il principio di Kelvin. Se il principio di Clausius non è vero diviene possibile ammettere che esista un qualche congegno capace di trasferire spontaneamente del calore da una sorgente a bassa temperatura (T1) a una sorgente a temperatura maggiore (T2), consideriamo allora l'insieme di tale congegno e di una macchina termica che operi reversibilmente tra le sorgenti T2 e T1, prelevando esattamente una quantità di calore Q dalla sorgente alla  temperatura T2 e cedendo una quantità di calore Q'. Ne segue allora che l'insieme dei due congegni costituisce un'unica macchina termica capace di prelevare una quantità complessiva di calore Q-Q' da una sola sorgente trasformandola in lavoro: come è evidente questo è proprio quanto viene negato dal postulato di Kelvin.

Supponiamo che il principio di Kelvin non sia valido; mostriamo che in tale

caso non vale neppure il 353g66d principio di Clausius. Consideriamo una macchina termica che è in grado di convertire tutto il calore in lavoro senza produrre alcun altro cambiamento da alcun'altra parte e inseriamola fra due sorgenti di calore a temperatura diversa. Colleghiamolo anche a un'altra macchina (convenzionale), che verrà fatta funzionare come dispositivo frigorifero e usata per trasferire energia dalla sorgente a temperatura inferiore a quella a temperatura superiore. Quindi tutto il calore prelevato dalla sorgente ad alta temperatura viene convertito in lavoro. Supponiamo ora di far funzionare una macchina in modo che rimuova 100 J di energia termica; in questo caso questa macchina produrrà una quantità di lavoro pari a 100 J. Quindi nell'altra macchina si potranno utilizzare questi 100 J per trasferire energia dalla sorgente a bassa temperatura a quella ad alta temperatura; l'energia totale trasferita sotto forma di calore alla sorgente a temperatura maggiore è la somma di ciò che viene sottratto alla sorgente fredda e dei 100 J forniti dalla prima macchina in virtù del primo principio. L'effetto complessivo è quello di trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo senza che intervenga alcun altro tipo di trasformazione,contraddicendo quindi il postulato di Clausius.


Definizione generale del rendimento di un ciclo termodinamico. Il rendimento di una macchina è dato dal rapporto fra il lavoro prodotto ed il lavoro assorbito ed il suo valore non può essere del 100% in quanto non esistono macchine termiche perfette (vedi, più in basso, terzo principio della Termodinamica). Già Carnot aveva infatti eliminato ogni speranza sulla possibilità teorica , ancor prima che pratica , di realizzare una macchina termica con rendimento pari al 100%:

"La produzione del movimento delle macchine a vapore è sempre accompagnata da una circostanza sulla quale dobbiamo concentrare l'attenzione. Questa circostanza  è il ristabilimento di equilibrio nel calorico, vale a dire il suo passaggio da un corpo in cui la temperatura è più o meno elevata ad un altro in cui essa è inferiore. La produzione della potenza motrice è dunque dovuta nelle macchine a vapore non ad un reale consumo del calorico ma al suo trasferimento da un corpo caldo ad un corpo freddo. Il calore non può evidentemente essere una causa di movimento se non in virtù dei mutamenti di volume e di forma che esso induce nei corpi; questi mutamenti non sono dovuti a una costanza di temperatura ma ad alternanze di calore e di freddo: per scaldare una qualunque sostanza occorre un corpo più caldo di questa; per raffreddare occorre un corpo più freddo."

Analizzando il contenuto di questo passo possiamo quindi affermare che in qualunque macchina termica operante tra due sorgenti di calore un fluido scambia calore con queste sorgenti, ricevendolo da quella a temperatura maggiore e cedendolo a quella a temperatura minore e producendo un movimento ciclico di parti meccaniche (per esempio il pistone di un cilindro) cui è associata la produzione di lavoro meccanico (per esempio il sollevamento di un carico). Quindi una macchina termica operante tra due sorgenti di calore è un congegno che assorbe dalla sorgente calda una quantità di calore Q'. Quindi il rendimento risulta espresso dalla seguente relazione: n= L/Q' = (Q' - Q'')/Q' = 1 - (Q''/Q'). Da questa relazione si osserva chiaramente che, essendo Q''/Q' sempre positivo, il rendimento è sempre inferiore ad 1. Si può inoltre dimostrare che il rapporto Q''/Q' è uguale al rapporto T''/T': in questo modo la formula che esprime il rendimento può essere riscritta in funzione delle temperature delle due sorgenti: n=1 - T''/T' La formula per il rendimento che abbiamo appena analizzato non è legata ad un particolare ciclo ma vale qualunque sia il ciclo effettuato dalla macchina purché questa operi reversibilmente e purché scambi calore fra due sole sorgenti a temperatura T' e T''. Per dimostrare l'affermazione consideriamo il comportamento di due macchine che lavorano tra due identiche sorgenti aventi temperatura T' e T'' e delle quali una (C) esegua reversibilmente il ciclo di Carnot mentre l'altra (I) esegua un ciclo qualunque in modo irreversibile. Supponiamo inoltre che le due macchine

prelevino la stessa quantità di calore Q'' dalla sorgente a temperatura T'' e che la I riesca a produrre un lavoro L' maggiore del lavoro Lc prodotto dall' altra. Dimostriamo ora che la situazione sopra descritta è di impossibile realizzazione. Nel caso in cui essa fosse vera infatti potremmo collegare le due macchine in modo che una parte del lavoro L'(= a Lc) possa fare funzionare la C al rovescio. Ricordiamo che C è reversibile e perciò essa avrà lo stesso rendimento sia quando preleva calore dalla sorgente a temperatura T'' e cede calore alla sorgente a temperatura T' compiendo lavoro contro l' esterno , sia quando riceve lavoro dall'esterno e trasferisce calore dalla sorgente a temperatura T' alla sorgente a temperatura T'' funzionando da frigorifero. Dunque la C assorbe una quantità di calore da T' pari a Q'' - Lc e cede una quantità di calore Q''=Q' + Lc a T''. Quindi il sistema termodinamico preleva del calore da una sorgente a temperatura T' e lo trasforma interamente in lavoro. Ciò è contrario al secondo principio della termodinamica e quindi possiamo affermare che: una qualunque macchina termica reale che scambi calore fra due sorgenti non può avere un



rendimento maggiore di quello di una macchina che esegue un ciclo di Carnot reversibile tra le due sorgenti.


Il terzo principio della termodinamica

Parlando del rendimento di una macchina termica si può introdurre un altro principio della termodinamica, il Terzo Principio. Esso afferma che non si può portare la materia alla temperatura dello zero assoluto in un numero finito di passaggi (in un tempo finito).In realtà il terzo principio della termodinamica si occupa delle proprietà della materia a scala microscopica a temperature molto basse, ma le sue conseguenze sono molto importanti anche dal punto di vista termodinamico: infatti il Terzo Principio pone un limite al rendimento di una macchina termica. La temperatura della sorgente fredda di una macchina termica non può, in base ad esso, essere uguale a zero. Quindi il rendimento di una macchina termica (che è definito come 1 - T2/T1) è sempre inferiore ad uno: non possono esistere macchine termiche con un'efficienza del cento per cento.


L'Entropia

Il secondo principio della termodinamica afferma che per produrre lavoro dobbiamo disporre di due sorgenti di calore a diversa temperatura; maggiore è la differenza di temperatura tra di esse, maggiore sarà anche il rendimento col quale il lavoro viene prodotto. Tutto ciò suggerisce che ci sia una differenza tra una certa quantità di energia prelevata sotto forma di calore ad una determinata temperatura e la stessa quantità di energia convertita in calore ad una temperatura inferiore; la prima infatti permette una produzione di lavoro maggiore della seconda. Ad esempio abbiamo visto che in un qualsiasi motore termico tutto il calore che viene ceduto alla sorgente a temperatura più bassa non può più essere utilizzato. Questa differenza, che non può ovviamente essere spiegata da considerazioni energetiche, ci porta ad introdurre il concetto di entropia.

L'entropia è una funzione termodinamica che permette di quantificare la tendenza delle trasformazioni energetiche verso l'inutilizzabilità meccanica; ad un suo aumento corrisponde infatti, a parità di energia disponibile, una minore capacità del sistema di produrre lavoro, e quando questa raggiunge il valore massimo, che corrisponde allo stato di equilibrio termico (si tornerà più avanti sull'argomento), non è più possibile estrarre lavoro dall'energia termica delle sorgenti di calore.

Vediamo ora come si può legare l'entropia alle altre variabili di un sistema termodinamico. Innanzi tutto si deve precisare che l'entropia è una funzione di stato: la differenza di entropia tra due distinti stati termodinamici dipende solo dalle condizioni iniziali e finali e non dal percorso che viene seguito nel passare da uno stato all'altro. La differenza di entropia è definita come la sommatoria dei rapporti istantanei (Q/T) tra calore ceduto e temperatura a cui avviene la cessione. L'unità di misura dell'entropia è dunque J/K (joule su Kelvin).

E' possibile calcolare in maniera piuttosto semplice la variazione di entropia nelle fondamentali trasformazioni termodinamiche reversibili: isoterme, isobare, isocore, adiabatiche.

Si deve far notare che il segno della variazione di entropia è quello del calore che viene scambiato: si ha un aumento di entropia nel sistema quando ad esso viene fornito calore, si ha invece una diminuzione di entropia quando il calore viene ceduto dal sistema all'ambiente.

Esaminando un qualsiasi ciclo termodinamico dal punto di vista dell'entropia risulta chiaro che la variazione di entropia del sistema tra l'istante iniziale e finale del ciclo è uguale a zero; se ciò non fosse vero l'entropia non sarebbe una variabile di stato (in realtà l'ordine logico è quello inverso: l'entropia è una variabile di stato proprio perché la variazione di entropia in un ciclo è uguale a zero).

E' invece più interessante considerare la variazione di entropia che si verifica nell'ambiente; si deve infatti in questo caso trattare separatamente i cicli che avvengono reversibilmente e quelli irreversibili.

Nel primo caso anche la variazione di entropia dell'ambiente è nulla: infatti gli scambi di calore fra ambiente e sistema avvengono (per definizione di processo reversibile) alla stessa temperatura; la variazione di entropia del sistema è quindi sempre l'opposto della variazione di entropia dell'ambiente (si ricorda che quando la differenza di calore è positiva per il primo è negativa per il secondo e viceversa); essendo la variazione di entropia del sistema dopo un ciclo completo uguale a zero, anche quella dell'ambiente sarà tale. In tale situazione anche la variazione di entropia dell'universo (ambiente + sistema) è nulla.

Nel caso invece di un motore che lavori irreversibilmente le sorgenti che scambiano calore con il sistema hanno una temperatura diversa dal sistema stesso. Quando il calore viene ceduto dall'ambiente al sistema la temperatura dell'ambiente è maggiore di quella del sistema; l'entropia del sistema aumenta quindi più di quanto non diminuisca l'entropia dell'ambiente; quando poi il calore viene ceduto dal sistema all'ambiente, la temperatura dell'ambiente è inferiore a quella del sistema; la diminuzione di entropia del sistema è minore dell'aumento di entropia dell'ambiente. Ma la differenza totale di entropia del sistema è zero; l'aumento e la diminuzione di entropia del sistema sono quindi uguali, dunque la diminuzione di entropia dell'ambiente è minore dell'aumento di entropia dello stesso. L'ambiente e quindi l'universo aumentano la propria entropia.

Naturalmente quanto detto vale non solo per i motori termici irreversibili, ma anche per tutte le trasformazioni termodinamiche irreversibili, come ad esempio il riscaldamento: in ogni processo irreversibile l'entropia dell'universo è destinata ad aumentare. Poiché tutti i fenomeni termodinamici che si osservano in natura hanno la caratteristica di essere irreversibili (i processi reversibili sono infatti processi ideali, che per la loro semplicità possono essere utilizzati per studiare le leggi della termodinamica, ma non hanno alcuna realtà fisica) ognuno di essi provoca alla fine un aumento di entropia dell'universo.

E' possibile realizzare una macchina termica che abbassi l'entropia dell'ambiente in cui si trova; una macchina frigorifera, che esegue lo stesso ciclo di un motore termico ma nel verso contrario, ha questa caratteristica; essa però per funzionare necessita di un rifornimento di energia sotto forma di lavoro, che deve essere prodotto da una macchina termica. Quest'ultima deve per forza di cose aumentare l'entropia dell'ambiente in cui si trova, e tale aumento di entropia, a causa delle ineliminabili dispersioni, è necessariamente superiore alla diminuzione di entropia indotta dalla macchina frigorifera. L'entropia dell'intero universo non può in questo modo essere ridotta (se fosse possibile realizzare una macchina che non disperdesse energia l'aumento di entropia dell'universo sarebbe nullo).



Risulta evidente come una violazione del II principio della termodinamica formulato secondo l'enunciato di Clausius o quello di Kelvin provochi una diminuzione dell'entropia dell'universo; l'estrazione di calore da una sola sorgente o un passaggio spontaneo di calore tra un corpo freddo e uno caldo producono un abbassamento dell'entropia dell'ambiente e dell'universo. Per questo motivo è possibile fornire un nuovo enunciato del secondo principio della termodinamica che sfrutti il concetto di entropia:

ogni processo fisico reale non può che provocare un aumento di entropia dell'universo.

Per quanto riguarda le conseguenze dell'aumento di entropia sull'inutilizzabillità meccanica è possibile dimostrare che, per quanto riguarda l'universo, ogni volta che si verifica una trasformazione irreversibile è come se una certa quantità di energia venisse trasformata da una forma completamente utilizzabile (trasformabile in lavoro) ad una completamente inutilizzabile; tale energia è pari al prodotto tra la variazione di entropia e la temperatura del serbatoio più freddo.

L'aumento di Entropia.

Le leggi della meccanica newtoniana partono dall'idea di base che l'Universo si comporti come una macchina dal moto perpetuo priva di dissipazioni, questo modello portò alla ricerca di leggi che garantissero la conservazione dell'energia e della materia che formano il cosmo. Tali certezze, tuttavia, non bastavano a far estinguere il dubbio che l'Universo stesse , in qualche modo , rallentando e perdendo parte della sua organizzazione interna. Basandoci semplicemente sui principi della fisica newtoniana possiamo apportare utili esempi a riguardo. Sbattendo un uovo la sua massa iniziale si conserva, ma esso perde la sua struttura ordinata; bruciando della legna la sua energia si conserva, ma viene persa irreversibilmente, con la sua degradazione, l'utilità che se ne aveva in primis. Il funzionamento delle macchine termiche, analizzato sulla base del Secondo Principio della Termodinamica, comporta le stesse osservazioni, anche se, a prima vista, una frittata e la macchina di Newcomen appaiono decisamente diversi. Per entrambi, però, una struttura da ordinata diviene disordinata e tali aumenti di disordine non sono mai completamente reversibili. L'entropia equivale a quest'aumento di caos nel sistema considerato; più il suo valore cresce, più il processo in analisi diventa irreversibile. A questa conclusione si pervenne attraverso l'interpretazione probabilistica del Secondo Principio formalizzata dal fisico tedesco L. Boltzmann, da cui si ha che: S=k x ln(n) [dove k rappresenta la costante di Boltzmann e n il numero di microstati associati al sistema considerato] Secondo questa formula è più probabile la condizione associata ad un maggior numero di microstati il che coincide, appunto, col disordine. La situazione del mazzo di carte ordinato per semi e per scale è, infatti, molto più rara rispetto alle centinaia di possibilità (microstati) legate al mazzo mischiato. Numerosissimi fenomeni che non osserviamo in natura derivano da questi studi ,il fatto che un foglio stappato non si riunisca o che un fiammifero usato non ritorni ad accendersi è la diretta conseguenza dalla minuscola probabilità che questi eventi hanno di verificarsi, e tutto ciò è dimostrabile scientificamente solo attraverso il Secondo Principio della Termodinamica, perché le leggi della fisica Newtoniana non lo negherebbero affatto.

La situazione naturale a cui si tende dopo l'utilizzo di energia e la produzione di lavoro è perciò il caos e comporta, come abbiamo già detto, una dissipazione dell'energia di partenza. Questo spiega l'ipotesi pessimistica di una possibile morte termica dell'universo, secondo cui ,in un tempo più o meno futuro, tutta l'energia dell'universo si sarà degradata e, mancando le risorse energetiche necessarie per la vita, il mondo collasserà. L'astronomo francese Camille Flammarion, agli inizi dell'Ottocento aveva immaginato questo evento, nel trattato 'La fin du monde', come un'interminabile glaciazione in cui "la miserabile razza umana sarebbe morta fra il brivido e il terrore", anche se oggi il verificarsi di questa drammatica visione è ritenuta immaginifica; in effetti ancora oggi nel mondo scientifico si sta discutendo se la tanto famigerata "morte termica" appartenga o meno al futuro dell'universo. Infatti alcuni scienziati suppongono che l'aumento di entropia dell'universo possa protrarsi all'infinito, poiché anche l'entropia massima dell'universo, in conseguenza dell'espansione, aumenta senza sosta. In qualsiasi caso noi non corriamo alcun pericolo, perché la morte termica dell'universo, se si verificherà, lo farà solo fra un numero altissimo (maggiore di 1 seguito da 100 zeri) di anni.


Il diavoletto di Maxwell

Possono esistere fenomeni naturali che violino la Seconda Legge, ricostituendo l'ordine a partire da una condizione iniziale di caos? Il fisico J. Maxwell, scopritore delle equazioni fondamentali dell'elettromagnetismo, rispose a questa domanda con un interessante esperimento ideale .

Egli immaginò un recipiente diviso in due sezioni contenenti gas ed un diavoletto che conoscesse le traiettorie e le velocità di tutte le singole particelle. Questo essere, aprendo e chiudendo un foro nella parete separatoria, sarebbe stato in grado di selezionare e raggruppare le molecole più rapide in una sezione e le più lente nell'altra. Al termine del procedimento il gas contenuto nelle due parti avrebbe avuto temperature diverse, raggiungendo così un maggiore ordine; inoltre questo esperimento non avrebbe comportato spese energetiche, confutando le teorie della Termodinamica.

Se fosse possibile costruire un diavoletto di Maxwell, senza dubbio ci renderemmo conto che l'entropia dell'essere verrebbe influenzata dal suo moto: essa aumenterebbe, compensando così la diminuzione di quella del sistema in esame. Lo stesso avviene negli eventi naturali in cui l'ordine in una zona aumenta ; per compensare questa variazione in un altro punto dell'Universo anche il disordine si accrescerà. La natura procede , secondo quest'analisi , per equilibri dinamici i cui scompensi , operati dall'esterno, devono essere costantemente controbilanciati. Lo stato termico raggiunto nell'esempio rappresenta, come si è già detto parlando del disordine, la condizione più probabile dell'universo ed è, a livello macroscopico, caratterizzato da assoluta staticità; in realtà il diavoletto continua ,fra gli atomi, il suo moto frenetico, accendendo e spegnendo l'energia ed è come intrappolato nel sistema. L'essere, infatti, genera, per la maggior parte, configurazioni complessivamente omogenee (disordinate) e ne avrà di diverse soltanto per una millesima frazione del suo tempo. Anche gradi di improbabilità possono essere ottenuti, ma l'universo è tale da evolvere attraverso stati sempre più probabili; allorché gli urti fra particelle portano il sistema ad una condizione altamente probabile diviene troppo remota la possibilità di un ritorno verso uno stato più improbabile. Tutto ciò porta il diavoletto ad essere schiavo del futuro di cui è l'artefice e a non poter più tornare nel passato; egli, infatti, agisce a caso , mentre il caos è districabile solo intenzionalmente. Non solo il sistema creato da Maxwell, ma l'intero Universo sembra, così, scivolare verso un'irreversibile condizione di equilibrio, poiché rare sono le scappatoie all'aumento dell'entropia ed il degrado dell'energia interessa anche le sostanze organiche e, con esse, lo stesso sviluppo della vita .

Un esempio importante, da questo punto di vista, è il comportamento di alcune molecole, quali gli enzimi, che possono influenzare il moto di particelle più piccole, venendo a creare sistemi ordinati negli esseri viventi, il che rende gli animali e le piante meno facili a deteriorarsi degli oggetti inanimati.

Anche nel caso considerato il Secondo Principio non viene minimamente violato, il prodursi di sistemi organici complessi nell'Universo, come costituzione di meccanismi ordinati, ha un grave riscontro sull'ambiente circostante; lo stesso comitato internazionale dell'UNESCO ha fatto presente in un importante documento del corrente anno il costo entropico della vita nel mondo e le forti implicazioni ecologiche che da essa derivano.




Bilancio entropico della biosfera

Un sistema ordinato termodinamicamente dinamico come può essere la biosfera richiede entropia negativa (n entropia) per 2 motivi. a)Per la creazione del sistema finale. é richiesto un certo minimo di n-entropia (informazione) ed energia. La quantità di energia ed n-entropia utilizzati dipenderanno dall'efficienza del processo. b)Per il mantenimento del sistema finale è richiesto un certo flusso di energia e di n-entropia (informazione).La quantità del flusso di energia e n-entropia dipenderà dall'efficienza del processo.

Per sostentare la vita e diventare più organizzata, la Biosfera richiede un'affluenza di entropia negativa dalle fonti esterne (l'entropia é estratta dalla Biosfera) per essere conforme al secondo principio della termodinamica; infatti, se così non fosse, l'entropia della biosfera aumenterebbe molto rapidamente). Il Sole é la maggior fonte di energia sulla Terra. Un'altra fonte di "energia naturale" é l'energia geotermica. In ogni modo, il bilancio totale dell'energia per la biosfera é zero per l'energia proveniente dal Sole, la stessa quantità che viene assorbita viene rilasciata, ed é zero anche per quanto riguarda l'energia geotermica proveniente dalla Terra, quando la biosfera é in una condizione di equilibrio. Qual è la fonte dell'entropia negativa? L'energia del Sole é organizzata e trasportata dai fotoni. La nostra biosfera assorbe questa energia e quindi la rilascia all'Universo - il bilancio totale dell'energia é zero. Tuttavia l'energia rilasciata all'ambiente é compresa nella radiazione elettromagnetica, che ha una lunghezza d'onda maggiore rispetto a quella dei fotoni assorbiti. La radiazione black body del Sole (T=5800K), che é assorbita dalla biosfera ha una temperatura maggiore rispetto a quella che passa, attraverso un flusso, dalla Terra e dalla biosfera all'Universo (T=280K). La spiegazione è che la biosfera non accumula energia quando é in una condizione di equilibrio, ma incrementa la propria struttura e accumula entropia negativa. Questa è la differenza tra l'entropia delle radiazioni assorbite e quella delle radiazioni emesse ad una lunghezza d'onda dei fotoni maggiore. Sulle basi di questa teoria il calcolo del totale dell'entropia negativa sulla Terra, può essere fatto.

Tre sottosistemi termodinamici: il Sole, la Biosfera e l'Universo. La Biosfera estrae l'entropia negativa durante il processo di scambio tra fotoni "caldi" (T=5800K - lunghezza d'onda minore) provenienti dal sole e fotoni "freddi" (T=280k - lunghezza d'onda maggiore) ceduti all'universo. Il flusso di energia e di entropia proveniente dal Sole é uguale al flusso totale di energia ed entropia proveniente dal "circolo della vita", la piccolissima area sulla superficie del Sole (del diametro di alcuni chilometri) che irradia fotoni verso la terra. Questo processo é responsabile della misteriosa "energia della vita", che sembra violare il secondo principio della termodinamica.

La vita sulla Terra può essere rappresentata da una piramide di interdipendenza (piramide della vita). Alla base di questa piramide ci sono quegli organismi che utilizzano i processi fotosintetici per sintetizzare i composti di basi organiche. L'entropia negativa e l'energia che affluiscono dal Sole é convertita in composti organici altamente strutturati come ad esempio i carboidrati. L'entropia del materiale utilizzato per la fotosintesi è diminuita del dovuto per lo strutturamento di questa materia provocato dall'entropia - negativa. Senza gli organismi che attuano la fotosintesi la biosfera non potrebbe esistere. Gli animali usano l'energia e l'entropia negativa del Sole indirettamente e sono più che mai dipendenti dalle specie fotosintetizzatrici.

Durante la digestione e l'utilizzazione dei cibi organici, l'energia e l'entropia negativa sono estratti per costruire e mantenere elevato il livello dell'organismo. Il cibo digerito ha un contenuto energetico minore ed una maggior entropia negativa. Perciò tutte le specie sulla Terra usano l'entropia negativa che proviene dal Sole. Il Sole fornisce energia ed entropia negativa per produrre tutti i composti a base organica.

Un cambiamento nell'ambiente, umano o naturale, può cambiare la "piramide della vita". Ciò potrebbe causare l'estinzione delle specie che sono al vertice della catena alimentare, perché questi dipendono dai più bassi livelli della piramide. Dopo ogni cambiamento l'equilibrio della piramide potrebbe cambiare causando così l'estinzione di alcune specie. Questo potrebbe essere il destino della specie umana, causato dall'inquinamento e dall'influenza sull'ecosistema. La gestione delle fonti di entropia deve essere considerata in modo molto serio.

Oltre il Secondo principio verso il caos

"La Seconda Legge è una cattiva notizia fornitaci dalla scienza che si è affermata saldamente anche nella cultura non scientifica. Tutto tende verso il disordine. Qualsiasi processo che converta energia da una forma a un'altra deve perderne una parte sotto forma di calore. Un'efficienza perfetta è impossibile. L'universo è una strada a senso unico. L'entropia deve sempre aumentare nell'universo e in un qualsiasi ipotetico sistema isolato in esso presente. Comunque la si esprima, la Seconda Legge è una regola che sembra non ammettere eccezioni. In termodinamica questa è una verità indubitabile. Ma la Seconda Legge ha avuto una vita propria in ambiti intellettuali molto lontani dalla scienza; la si è infatti incolpata della disintegrazione di società, della decadenza economica, della corruzione dei costumi e di molte altre variazioni sul tema della degenerazione. Queste incarnazioni secondarie, metaforiche, della Seconda Legge sembrano oggi particolarmente inopportune. Nel nostro mondo fiorisce la complessità e coloro che guardano alla scienza per una comprensione generale delle abitudini della natura saranno serviti meglio dalle leggi del caos.
In qualche modo, dopo tutto, l'universo, mentre sta correndo verso il suo equilibrio finale nel caldo bagno amorfo de entropia massima, riesce a creare strutture interessanti. I fisici più profondi interessati al funzionamento della termodinamica si rendono conto di quanto sia inquietante il problema, come si espresse uno di loro, di «come un flusso di energia non intenzionale possa trasportare vita e coscienza nel mondo». La difficoltà è aggravata dal carattere sfuggente della nozione entropia, che, se è ragionevolmente ben definita ai fini della termodinamica in termini di calore e di temperatura, è estremamente difficile da definire come misura del disordine. I fisici hanno già abbastanza difficoltà a misurare il livello del disordine nell'acqua, con la formazione di strutture cristalline nella transizione a ghiaccio, mentre l'energia fugge via di continuo. Ma l'entropia termodinamica fallisce miseramente come misura del vario grado di forma e mancanza di forma nella creazione di amminoacidi, di microrganismi, di piante e animali capaci di riprodursi, di sistemi di informazione complessi come il cervello. Certamente queste isole di ordine in evoluzione devono obbedire alla Seconda Legge. Le leggi importanti, le leggi creative, stanno altrove".

da "Caos - La nascita di una nuova scienza", James Gleick


Si è deciso di concludere questa analisi del Secondo Principio accennando ad un argomento che sembra sostanzialmente estraneo alla termodinamica: lo studio del caos. Questo recente campo della fisica si preoccupa di fornire, con l'ausilio di una nuova, apposita metodologia, leggi e modelli per spiegare i fenomeni caotici; quei fenomeni che, in ultima analisi, sono necessari per spiegare la nascita della vita nell'universo. Certamente tutti gli eventi che si verificano nell'universo sono soggetti alle restrizioni del secondo principio: la sola termodinamica non basta però a spiegare come dal disordine entropicamente "necessario" si possa produrre l'ordine e la vita. Lo scopo di quest'ultima sezione è dunque quello di far comprendere come la termodinamica sia solo l'inizio di quel processo ci proietta verso una comprensione più profonda della natura






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