Il secondo principio

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Michele attraversa i giardinetti del parco pensoso. Sembra estraneo ai  suoi simili che usciti da scuola sciamavano chiassosi verso casa. Zainetto in spalla, ciuffo al vento,  ripercorre con la mente la spiegazione del professore di fisica all’ultima ora; quella nuova legge non la comprende, o non riesce ad interpretarne correttamente il significato oppure c’è qualcosa che gli sfugge e così continua ad analizzarla. A Michele piace la Fisica, la considera la scienza che ti fa capire del mondo e dell’esistenza, per lui i  confini tra filosofia e fisica non sono ben delimitati e così le sue speculazioni dall’una conducono all’altra disciplina. Succede a 17 anni, la formazione del pensiero in un individuo ripercorre le fasi storiche della formazione del pensiero collettivo e così  la fisica per Michele non è ancora quella moderna, egli ha da poco fatta la sua rivoluzione Galileiana. A Michela piace pensare di essere nella caverna di Platone e di iniziare a vedere qualcosa nella luce abbagliante dell’uscita, e quel che vede è ciò che gli descrive la Scienza. Con tali aspettative la seconda legge della Termodinamica costituisce un punto di crisi, non gli piace, sente che c’è dentro qualcosa di diverso da tutto quello che ha studiato fino ad ora. La realtà che gli descrivevano tutte le leggi finora studiate è una realtà fatta di biglie colorate che con grande eleganza viaggiano sulle loro orbite, rettilinee o curve che siano, si scontrano cedendosi moto, rimbalzano, tornano al punto di partenza. Un mondo fatto di ghiaccio che ritorna acqua, acqua che diventa vapore e può ritornare acqua. Un mondo abbastanza gaio ed innocuo, bello studiarlo per scoprirlo sempre armonico e simmetrico. La stessa prima legge della Termodinamica è una legge equa e coinvolgente, dice che tutte le forme di energia sono la stessa entità e possono mutuamente convertirsi l’una nell’altra, senza mai perder nulla. Così l’energia elettrica può diventare termica e viceversa,  nel suo motorino nuovo l’energia chimica si trasforma in energia meccanica e si traduce in spensierate corse nel vento.  Tutta l’energia dell’Universo è sempre la stessa ma muta di forma, sembra la legge del migliore Universo possibile pensa candidamente. La seconda legge invece ha una natura diversa, mette dei limiti, gli appare autoritaria, come se la natura di colpo dicesse: “deve essere così!”. Se c’è una cosa che fa imbestialire Michele è sentirsi dire: “Così va il mondo”, ed ora sente qualcosa del genere in una legge che descrive la natura, spera proprio di aver capito male.

Ma che dice il secondo principio della Termodinamica ? Un mucchio di cose.

Il secondo principio nasce dall’osservazione dei processi fisici nei quali, senza nessun apporto esterno, il sistema sotto studio a partire da uno stato iniziale evolve in maniera autonoma verso uno stato finale e sebbene lo stato di partenza e quello finale si equivalgano a livello energetico, la trasformazione inversa, ovvero lo stesso processo a ritroso,  non è mai possibile. Allora ci deve essere una ragione intrinseca perché debba andar così. Esperimento base  tra  questi processi è la conduzione del calore. Se si mettono a contatto due oggetti di cui uno più caldo dell’altro, quello più caldo trasferirà parte della sua energia termica all’altro finché entrambi raggiungeranno la stessa temperatura. Se volessimo attuare il processo inverso, cioè trasferire il calore dal corpo più freddo a quello  più caldo per farlo dovremmo spendere dell’altra energia, realizzare cioè una macchina frigorifera.  Per descrivere questo comportamento Clausius introdusse una nuova grandezza legata all’energia: l’entropia. La misura dell’entropia associata ad un sistema fisico si ottiene dal rapporto tra la sua energia e la sua temperatura. La geniale introduzione di tale grandezza rende quindi differenti stato di partenza e stato di arrivo nei processi che evolvono autonomamente ed in tutti osserviamo che l’entropia nello stato finale è aumentato rispetto a quello iniziale.  Veniva così scoperta la seconda legge della termodinamica, soddisfatta universalmente da qualunque processo fisico: “I sistemi fisici evolvono sempre verso uno stato ad entropia maggiore”.  Consideriamo ancora il processo della conduzione del calore, il corpo più caldo a temperatura T2 cederà una quantità di energia Q al corpo più freddo a temperatura T1, quindi nel corpo più caldo l’entropia diminuirà di Q/T2 mentre nel corpo freddo l’entropia aumenterà di  Q/T1 ovvero di una quantità maggiore e quindi in definitiva l’intero sistema complessivamente  vedrà aumentata la sua entropia. Se volessimo realizzare il processo inverso  l’entropia dovrebbe diminuire ed il processo risulta difatti impossibile. Il secondo principio della termodinamica ha tante formulazioni diverse, la legge dice che i processi in natura sono sempre irreversibili,  dice anche che in qualunque trasformazione di energia una parte sarà sempre trasformata in energia termica, dice anche che l’Universo tende a livellare la sua temperatura e ad aumentare la sua entropia,  dice quindi che l’Universo avrà fine quando avrà raggiunto una temperatura uniforme e quando ciò avverrà non sarà possibile più nessuna modificazione, l’Universo sarà allora uno spettrale e freddo deserto immobile.

Capirete ora lo sconcerto di Michele alle prese con questa legge semplice nella formulazione ma terribile nelle implicazioni. La legge gli svela dei limiti che pensava la Natura non dovesse avere. Ad esempio gli dice che parte del carburante che mette nel motorino serve non a muoverne le ruote ma a riscaldare il motore e che questo non è limite tecnologico dovuto all’efficienza del motore ma è legge di natura, il calore pretende il pizzo per ogni trasformazione. No, non gli piace questa legge così autoritaria che impone all’Universo intero un verso univoco lungo il quale procedere. La parte finale della lezione poi anche se in maniera solo accennata, certo da approfondire ancora, lo gettava nello sconcerto perché gli faceva intravvedere aspetti  inimmaginabili  della natura, regolata dal caso, destinata al caos.

Come spesso accade in fisica una grandezza viene dapprima introdotta  come uno strumento matematico che serve a far corrispondere le formule fisiche che descrivono la Natura alle prove sperimentali. e poi solo dopo l’uso e la sua accettazione generale se ne comprende il significato insito, così fu per l’entropia. Fu Boltzman a dare significato a questa grandezza che Clausius aveva introdotto “per far tornare i conti”. Boltzmann è il padre della Teoria cinetica dei gas, tra i primi fisici che approcciò lo studio delle particelle con metodi statistici. Boltzman interpretò l’entropia come la misura della probabilità di trovare un sistema in una particolare configurazione, mettendo così in relazione l’entropia con il disordine. Così mentre prima la formulazione del secondo principio era: “l’entropia deve aumentare” , nell’interpretazione statistica di Boltzmann lo stesso principio diventa: “l’entropia aumenta quasi sempre“. C’è una bella differenza ! Provo a fare un esempio per spiegare come queste due interpretazioni concettualmente diverse in definitiva risultino  equivalenti nella realtà dei fatti. Fate il seguente esperimento. Prendete in pugno una bella manciata di fagioli, quanti più ne potete. Poi lanciateli in aria in una stanza ed osservate come si distribuiranno una volta caduti sul pavimento. Come già prevedete i fagioli, a meno di una forte pendenza della vostra casa,  si distribuiranno in maniera casuale in ogni angolo del pavimento e osserverete anche ripetendo più volte l’esperimento che la distribuzione dei fagioli sul pavimento sarà sempre caotica ed uniforme. I fagioli con un lancio opportuno potrebbero anche cadere e fermarsi tutti in un mucchietto sulla stessa mattonella, ciò è possibile ma abbastanza poco probabile, potreste lanciare fagioli per tutta la vita e non accadere mai. La probabilità della distribuzione di fagioli sul pavimento come nelle particelle elementari viene misurata dalla entropia. Così le molecole di un corpo più freddo potrebbero cedere la loro energia ad un corpo più caldo ma che questo accada è veramente poco probabile, praticamente impossibile. Eravamo all’inizio del XX secolo quando nascevano queste idee ed in quel secolo ci fu una evoluzione così veloce nello studio delle leggi fisiche come mai accaduto nella storia , nasceva la Fisica Moderna, dopo una trentina  di anni si arrivava alla Meccanica Quantistica capace di interpretare i meccanismi delle particelle elementari e dell’energia utilizzando leggi probabilistiche applicate ad eventi che potevano essere immaginate solo nel Paese di Alice prima di allora. Einstein che pure era fra gli artefici di questa rivoluzione ebbe a dire in una delle sue discussioni con Bhor: “Eppur non posso credere che Dio giochi a dadi con la natura”.

Ma torniamo al nostro Michele che ora un po’ acquietato guarda attorno a sé i giardinetti in cui da piccino la domenica i genitori lo portavano a passeggio. Ricorda gli compravano un palloncino di quelli che volano, gli passavano il filo di cotone che lo tratteneva e lui, ridendo, col nasino in su lo liberava e lo guardava salire salire nel cielo sereno. Allora era convinto che tutti i palloncini colorati rimanessero a vagare in uno strato altissimo del cielo per sempre trasportati dal vento. Ora sa che il loro destino era segnato, salivano su, poi dopo qualche tempo a poco a poco perduto il gas che li teneva sospesi inesorabilmente sarebbero atterrati mosci in qualche campagna, in qualche cortile. Michele ora sa di esser più vecchio del suo Platone e fuori dalla caverna. Gli viene alla mente la foto  in bianco e nero del nonno di tanti anni fa, ritraeva un ragazzo dalla chioma lucente di brillantina,  lo sguardo deciso, il sorriso un po’ beffardo che guardava al futuro, ben diverso dal vecchio magro nella sua poltrona che ha  conosciuto.

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16 risposte a Il secondo principio

  1. stileminimo ha detto:

    Io vorrei che si continuasse quasta storia che spiega l’entropia, qui. Nel dettaglio… si può?

  2. rodixidor ha detto:

    Mi fa ti sia interessato il mio scritto, lungo e un po’ confuso.

  3. salvo saia ha detto:

    Il secondo principio é un assoluto. Esso stabilisce il fondamento dell’accadere, del succedersi; delle cause e dell’effetto; del prima e del dopo insomma. Ecco, poichè esso é, l’infinito e le possibilità delle cose e degli accadimenti devono confrontarsi con la “successione” . Determina un flusso in ciò che chiamiami “il tempo”.

  4. esercizidipensiero ha detto:

    Io ho un amico che si chiama MIchele che di mestiere fa l’astrofisico, che se gli chiedi se studia le stelle ti dice di no, che l’astronomo studia le stelle e che l’astrofisico studia gli esperimenti. Ecco, io credo sia la sola cosa di fisica che posso capire. Non lo so, non mi entra. Lo so che è il mondo, lo so, però.

  5. penna bianca ha detto:

    Posso venire anch’io a ripetizione di fisica? 😉

  6. arcadiamix ha detto:

    dare misura al disordine spesso affascina… Buon “tempo”

  7. melodiestonate ha detto:

    ti devo rileggere con più calma, mi sono confusa

  8. Lady Chocolate never lies ha detto:

    Un disordine ordinato, in accadimento, figlio di una continua evoluzione non reversibile nemmeno per l’uomo. Che ne sarebbe di noi se tornassimo scimmie?
    Sarebbe bello fossero tutte reversibili le trasformazioni: non perderemmo né sprecheremmo nulla, né di fisico né di metafisico. E pure amare sarebbe più facile: senza la sofferenza del non amare più.
    :-*

  9. turquoise66 ha detto:

    Dunque insegni fisica? Io ero negata sia per la fisica che per l’educazione fisica, solo che la prima mi sembrava più utile e quindi mi sentivo molto più negligente nei suoi confronti, della seconda me ne fregava poco o nulla. Ne consegue che il primo ed unico principio di una Fermodinamica come me è il seguente: se uno è una bestia in fisica non significa necessariamente che avrà un fisico bestiale, Oggi potrei farmi perdonare lanciando fagioli per aria, che hanno anche il vantaggio di essere più semplici da spazzare dei coriandoli.

  10. rodixidor ha detto:

    Il secondo principio della Fermodinamica sarà allora che se uno è bestia in Educazione Fisica non necessariamente sarà privo di fisico bestiale.
    Grazie del passaggio e del simpatico commento 🙂

  11. Anch’io ho sempre fatto e continuo a fare molta fatica con la fisica, ho dovuto tornarci e non sono sicura di aver capito proprio tutto, però sempre di più mi succede di avvicinarmi a un punto in cui la scienza confina con la poesia (in senso ampio) e questo mi piace.

  12. Pingback: SABATOBLOGGER 40. I blog che seguo | intempestivoviandante's Blog

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