giovedì 1 ottobre 2015

Il calore, l'entropia e il secondo principio della termodinamica

Sempre per approfondire alcuni aspetti teorici legati al fenomeno incendio, faccio un cenno al concetto di entropia.
Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia (in un sistema termodinamico isolato) non si crea né di distrugge, ma si trasforma. Possiamo dirla anche in un’altra maniera…affermando che l’energia di questo sistema termodinamico isolato (cioè che non ha scambi con l’esterno) è costante. Il secondo principio della termodinamica ci dice, inoltre, che molti eventi termodinamici hanno un carattere d’irreversibilità. Sono cose in realtà a noi note, come il passaggio di calore che, spontaneamente, avviene sempre da un corpo caldo ad uno freddo, e mai viceversa. Ancora per il secondo principio della termodinamica abbiamo che la produzione di lavoro è sempre accompagnata da un riscaldamento. Quindi il calore è una sorta di “scarto”, il prodotto della trasformazione di energia. Possiamo anche dire che il calore è una forma di energia “degradata”, che non è più utilizzabile. Ora, come conseguenza di tutto ciò, possiamo affermare che nei sistemi fisici esiste una tendenza spontanea alla degradazione dell’energia, cioè alla sua dispersione (sottoforma di calore) nell’ambiente. 
Introduciamo ora il concetto di ENTROPIA. Cos’è l’entropia? Semplificando possiamo interpretare l’entropia come il grado di “disordine” di un sistema fisico isolato. Facciamo un esempio: immaginiamo di avere un involucro, un contenitore che contiene gas. Lo colleghiamo ad un altro contenitore vuoto, ed apriamo una valvola. Il gas, spontaneamente, inizia a passare nel secondo contenitore, fin quando le sue molecole si saranno distribuite, uniformemente, in entrambi gli involucri, e si sarà raggiunto uno stato di equilibrio. Questo procedimento intuitivo ci dice che l’entropia del sistema considerato è aumentata, in quanto da uno stato di maggiore ordine (le molecole distribuite all’interno del primo involucro) si è passati ad uno stato di maggiore disordine (le molecole distribuite uniformemente nei due involucri). Tale processo non è reversibile, non è possibile tornare spontaneamente allo stato iniziale (se non applicando una qualche forma di energia esterna, al sistema, un lavoro). Faccio un altro esempio, più semplice ma forse più chiaro: immaginiamo di prendere una confezione di farina, di aprirla e di svuotarla nel nostro balcone. Il vento inizia a diffondere la farina, a distribuirla in maniera disordinata in giro nel balcone. Siamo passati da uno stato di ordine (la farina nella confezione) ad uno stato di disordine (la farina sparsa a “casaccio” nel balcone): è aumentata l’entropia del sistema preso in considerazione. E non osserveremo mai il processo inverso, ossia non vedremo mai che, spontaneamente, la farina sparsa nel balcone tornerà a raccogliersi nella carta della confezione lasciata in terra. Per pulire il tutto, cioè per riportare ad uno stato di maggiore “ordine”, sarà necessario un lavoro (quindi l’impiego di energia): ramazza, raccoglitore e “braccia”. E questo lavoro sarà tanto più grande, tanto più faticoso, quanto maggiore sarà lo stato di disordine che cercheremo di contrastare (più passa il tempo e più la farina tenderà a spargersi su una superficie sempre più estesa del balcone, per pulire la quale sarà necessario un lavoro più intenso). Ora forse abbiamo un po’ più chiaro il concetto di entropia (1). Torniamo al calore. Abbiamo visto che la produzione di calore non è che il prodotto di scarto che intercorre quando trasformiamo l’energia da uno stato all’altro. L’energia termica o calore è utilizzabile per produrre lavoro, ma in nessun caso è totalmente trasformabile in lavoro, in quanto una parte di essa è comunque dispersa nell’ambiente. Quindi, per certi versi, quando ci troviamo a combattere un incendio stiamo affrontando anche una lotta per ridurre l’entropia (una frazione infinitesimale della stessa! Rapportata al valore dell'entropia di tutto l'universo), per contrastare lo stato di disordine che si produce come conseguenza della dispersione del calore prodotto dall’incendio. Ricapitolando, il secondo principio della termodinamica afferma che l’energia termica (il calore) fluisce sempre da un corpo caldo ad uno più freddo e mai in direzione contraria. In ragione di questo, considerando l’intero universo come un sistema fisico chiuso, abbiamo che l’entropia dello stesso può solo aumentare nel tempo, fino a raggiungere (tra qualche eone) uno stato di equilibrio che coinciderà con la morte termica dell’universo stesso. Ossia, dal momento che anche nel cosmo l’energia tende a distribuirsi dai corpi più caldi a quelli meno caldi (e non viceversa), quando tutto l’universo si troverà alla stessa temperatura (pochi gradi al di sopra dello zero assoluto), e non sarà più possibile, quindi, il passaggio di calore tra un corpo ed un altro, l’entropia sarà massima e nessuna trasformazione sarà più possibile. Se volessimo “speculare” ancora, al concetto di entropia è collegato anche quello della cosiddetta “Freccia del tempo”. Ossia, perché il tempo scorre solo in una direzione, dal passato al futuro, e non viceversa? Sempre per il secondo principio della termodinamica e per la questione, fin qui esposta, dell’entropia. Per ora mi fermo qui. 


Note:

(1) Brian Greene nel suo libro La realtà nascosta. Universi paralleli e leggi profonde del cosmo (ne consiglio la lettura, a chi è appassionato del genere), dà diverse definizioni di Entropia. Vediamone alcune:

"Finora ho descritto l'entropia, in modo approssimativo, come una misura del disordine e, più quantitativamente, come il numero di nuove disposizioni dei costituenti microscopici di un sistema che lasciano invariate le sue caratteristiche macroscopiche globali. Un punto da chiarire è questo: possiamo pensare che l'entropia misuri il divario di informazione tra i dati in nostro possesso (le caratteristiche macroscopiche globali) e quelli di cui non disponiamo (la particolare disposizione microscopica del sistema)".

" (...) l'entropia di un sistema è il numero di domande dicotomiche a cui i suoi dettagli microscopici hanno la capacità di rispondere, quindi l'entropia è una misura del contenuto di informazione nascosta del sistema".
 

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