Termodinamica

Che cos'è il calore?
Fino a tutto il 700 si pensava che fosse un fluido che scorre tra oggetti a temperatura diversa.
Poi Benjamin Thompson e James Joule capirono che il calore è energia
ma a guadagnarsi fama eterna fu solo il secondo: ancora oggi,
infatti, la parola joule è usata come unità di misura dell’energia.

Così come la meccanica si occupa, tra l'altro, delle leggi che governano la caduta dei corpi, la termodinamica studia dunque il calore: il modo in cui questo si trasmette, la sua capacità di trasformarsi in altre forme d’energia il modo in cui altera le altre proprietà dei corpi convertendo per esempio un solido in un liquido.
Le sue applicazioni? Infinite: dai motori ai frigoriferi, dalla vita sulla Terra all'evoluzione dell'universo.
E. fatto più curioso, questa disciplina si basa su tre sole leggi, o meglio, tre principi.

1° Il calore è energia e l’energia non si crea né si distrugge
2° Il calore fluisce spontaneamente dai corpi più caldi a quelli più freddi, mai viceversa
3° Raggiungere lo Zero Assoluto è impossibile
Principio ZERO: Se tra due corpi in contatto non scorre calore, allora hanno la stessa temperatura, e viceversa.

ENERGIA E LAVORO
Il calore è una forma di energia, e l'energia non si crea né si distrugge (ma si trasforma in continuazione). Questo, in sintesi, afferma il primo principio.

Ma che cos'è l'energia? Non è facile rispondere, perché tutto è energia, dal tepore del termosifone all'esplosione di una bomba, dalla luce alla materia stessa. Una definizione precisa, tuttavia, esiste: l'energia di un oggetto è la sua capacità di fare lavoro, ossia di esercitare una forza producendo uno spostamento.

Un esempio? Se si spinge un'auto in panne allora si fa del lavoro (e si spende energia). Questo lavoro è pari alla forza applicata moltiplicata per lo spostamento ottenuto. Quando l'auto non è guasta. il lavoro lo fa il motore: l'energia è prodotta dallo scoppio della miscela di benzina e aria che fa muovere il pistone. In parole povere, è energia l'attitudine a produrre movimento.

E il calore? Quando scaldiamo un oggetto, ne aumentiamo l'energia interna accelerando i suoi atomi. Questo aumento di energia interna è ciò che chiamiamo comunemente calore.
Conclusione: la temperatura di un corpo è la nostra percezione dei movimenti delle sue particelle.

Ma si possono utilizzare questi movimenti microscopici per far girare un motore? La termodinamica, in un certo senso, è nata proprio per rispondere a questa domanda. La prima risposta che ha dato, la più rozza, si basa sul primo principio, e dice: certo che si può produrre lavoro grazie al calore, purché nel processo non si crei né si distrugga energia. Per esempio, scaldando dell'acqua si può produrre vapore e poi utilizzano per azionare una turbina.

Il primo principio si trova dappertutto, anche nella dieta. Infatti, se si mangia in abbondanza, l'energia (chimica) fornita dal cibo va smaltita facendo movimento. In caso contrario si creano depositi di grasso (altra forma potenziale di energia).
E non è un caso che si parli di calorie: la caloria è una vecchia unità di misura del calore. Per l'esattezza, è il calore necessario a riscaldare un grammo d'acqua da 14,5 ⁰C a 15,5 ⁰C.
Dal punto di vista energetico, la caloria è l'energia che serve a sollevare 4,186 kg di un metro in un secondo. Poco? Solo in uno zampone ci sono circa 2.500 chilocalonie. abbastanza per sollevare 10 tonnellate a un 1cm in un secondo.

LE TRANSIZIONI DI FASE
Quando si fornisce calore a un oggetto, dunque, si aumenta la sua energia interna. Ma non sempre questo ha l'effetto di aumentarne la temperatura.
Durante l'ebollizione, e cioè a 100 gradi, purché ci si trovi a livello del mare e quindi alla pressione di 1 atmosfera, l'acqua viene trasformata da liquido a gas. In questo caso, fornire più calore serve solo a far evaporare l'acqua più velocemente. Ecco perché quando l'acqua bolle conviene abbassare la fiamma: la temperatura resta di 100 gradi e si risparmia gas. Questo fenomeno si chiama transizione di fase.

Se la termodinamica si fosse fermata al primo principio, molte domande sarebbero rimaste senza risposta.
Per esempio. perché non capita che il vapore ridiventi acqua in una pentola vuota, cedendo calore all'ambiente?
Oppure, domanda equivalente: perché non si riesce a trasformare completamente il calore in lavoro?
Qualunque motore, infatti, dai primitivi sistemi a vapore alle più moderne turbine, sfrutta solo una parte dell'energia fornita (spesso non più del 25%).
All'inizio dell'800 si pensava che fosse soltanto una questione tecnica. Invece non era così: anche se il primo principio permetterebbe di trasformare interamente il calore in lavoro, c'è un guastafeste che lo rende impossibile: il secondo principio.

Il secondo principio? Un vero rompiscatole:
vieta il moto perpetuo e, soprattutto, aumenta l'entropia. E ci fa invecchiare.

Possiamo dire che il Sole è giallo. Oppure possiamo dire che ha un picco di emissione elettromagnetica intorno alla lunghezza d'onda di 0,58 micron. Allo stesso modo anche il secondo principio della termodinamica ha varie formulazioni, ciascuna delle quali aiuta a capirlo un po' di più. Eccone tre:

1. Il calore va, spontaneamente, sempre da un corpo più caldo a uno più freddo
2 . E' impossibile trasformare calore in lavoro, senza altre conseguenze, prelevandolo da un'unica sorgente; (in caso contrario potremmo assorbire calore dall'oceano, diminuendone la temperatura ma procurandoci un'energia praticamente illimitata)
3. In natura esistono processi, come un fiammifero che brucia o un bambino che cresce, che possono svolgersi solo in un senso

L’ENTROPIA
Fermiamoci all'ultima affermazione. Sembra ovvia, ma le leggi della fisica microscopica (meccanica, elettrodinamica, cromodinamica...) sono invece tutte reversibili.
Da dove nasce, allora. l'irreversibilità? Risposta: si tratta di un fenomeno statistico. Il fatto è che tutti gli oggetti macroscopici sono formati da una miriade di particelle microscopiche.

In una goccia d'acqua per esempio, si trovano miliardi di miliardi di miliardi di atomi, a loro volta composti da migliaia di particelle elementari (elettroni, quark, antiquark, gluoni...). Eppure possiamo definire la goccia in base a poche caratteristiche, come forma, peso e temperatura, che non dipendono certo dalla sua particolare configurazione microscopica: se rallentiamo una molecola per accelerarne un'altra, la goccia non cambia.

Ebbene, più sono i modi in cui la goccia può cambiare dal punto di vista microscopico, restando però identica dal punto di vista macroscopico, e più è elevata la sua entropia. Questa grandezza è la misura del disordine microscopico di un sistema. Quel che succede in un processo irreversibile è che parte dell'energia degli oggetti coinvolti va ad aumentare il loro disordine interno (cioè va a perdersi nel movimento microscopico delle particelle che lo compongono) e non può più essere utilizzata per creare lavoro macroscopico.

Più precisamente. l'entropia di un sistema isolato che cioè non scambia né calore né lavoro con l'esterno, non può mai diminuire. In pratica, l'irreversibilità è spesso prodotta da un fenomeno molto comune: l'attrito.

MOTORI VERI, TEORICI E BUFALE
Ma non dimentichiamo che la termodinamica è nata per rispondere a una domanda pratica: come convertire il calore in lavoro?
Abbiamo visto che ciò è possibile (grazie al primo principio) ma solo in parte (per colpa dell'entropia). Anche se non ci fossero affatto attriti, tuttavia, sarebbe ugualmente impossibile raggiungere un'efficienza del 100%: lo dimostrò nel 1824 il francese Sadi Carnot, immaginando un ciclo ideale in quattro fasi, nel quale un gas prende calore da una sorgente più calda e lo trasferisce a una sorgente più fredda compiendo del lavoro.

Due le conclusioni:
1. E' impossibile trasformare tutto il calore in lavoro;
2 . L'efficienza del ciclo dipende soltanto dalla differenza tra le temperature delle due sorgenti.

Il rendimento dei cicli reali, come quelli dei motori delle automobili, è ancora minore, soprattutto perché basato sulla combustione: una parte del lavoro prodotto e, infatti, utilizzato per l'iniezione del carburante e per lo scarico. Il ciclo Diesel o il ciclo Otto (macchine a benzina) hanno per esempio un'efficienza reale pari rispettivamente al 45% e 35-40%, contro un efficienza teorica massima del 73%.

Corollario: il moto perpetuo è impossibile... anche se gli uffici brevetti di tutto il mondo continuano a ricevere progetti di macchine che, secondo gli ideatori.produrrebbero più energia di quanta ne ricevono.

L'energia, dunque, tende a degradarsi o, meglio, a distribuirsi tra i corpi in contatto termico fino a che tutti non raggiungono la stessa temperatura.
E a questa legge non sfugge l'universo stesso. Le stelle, per esempio, prima o poi si spegneranno e il cosmo intero diventerà una "zuppa" a temperatura uniforme e bassissima in cui non sarà possibile alcuna forma di vita né alcuna forma di movimento macroscopico. Perché, come abbiamo visto, nessuna macchina (o organismo) può funzionare estraendo calore da un'unica sorgente.

Questo scenario catastrofico è una diretta conseguenza del secondo principio, e fu predetto dallo stesso Clausius. Ma come mai non si è ancora verificato, dal momento che la nascita dell'universo risale a dieci o forse 20 miliardi di anni fa?
La risposta è: per miracolo. Infatti, l'universo è nato con un'entropia incredibilmente bassa, che ha continuato a crescere per miliardi di anni, fino a ora, e continuerà a farlo ancora per molto tempo.
Secondo il matematico britannico Roger Penrose, la probabilità che l'universo nascesse in uno stato così ordinato è un numero decimale che inizia con zero e ha, dopo la virgola, un numero di zeri maggiore del numero di particelle che esistono nell'universo.

Gli scienziati non ci hanno messo molto per trovare una scappatola ai vincoli del secondo principio: per ottenere un'efficienza del 100% (a parte l'eliminazione degli attriti, che può essere considerata una pura difficoltà tecnica) basterebbe che la sorgente più fredda avesse la temperatura dello zero assoluto.
Ma che cos'è lo zero assoluto? Abbiamo visto che la temperatura è una misura del movimento microscopico degli atomi: più bassa è la temperatura, minore è il movimento.
Ebbene, allo zero assoluto, che corrisponde a -273,15°C il movimento di atomi e molecole è il minimo consentito dalle leggi della meccanica quantistica (si parla di energia di punto zero). Raggiungere questa temperatura è però, a sua volta, impossibile: lo scopri il chimico tedesco Walther Hermann Nernst, che ne diede anche una serie di dimostrazioni sperimentali, grazie alle quali Nernst conseguì il premio Nobel nel 1920. In tal modo anche l'ultima scappatoia era eliminata, e la possibilità di creare un motore perfetto veniva esclusa in modo definitivo.

Gli scienziati continuano in ogni caso a cercare di raggiungere temperature sempre più basse: l'attuale record resiste dal 1993 ed è stato ottenuto in Finlandia, in un laboratorio dell'università di Helsinki: 0,00000000028 gradi sopra lo zero assoluto. Questo valore è inoltre il punto di partenza della scala termometrica assoluta detta Kelvin, dal nome dello scienziato che la propose. In questa scala i gradi sono uguali a quelli centigradi, ma lo zero corrisponde a -273,15 ⁰C.

L’ULTIMO PRINCIPIO
Una volta codificato anche il terzo principio, le basi della termodinamica erano poste... ma non del tutto. Nel 1930 gli studiosi di termodinamica si resero, infatti, conto che tutte le loro misurazioni si basavano sul concetto di temperatura, ma che la temperatura non era mai stata definita in maniera adeguata. Fu elaborato così il "principio zero"
La temperatura è la quantità che caratterizza tutti gli oggetti in equilibrio termico (ossia senza passaggio di calore) tra loro.

Per fortuna non si dovette attendere il principio zero per avere i primi termometri e le prime scale termometriche. Quella Celsius che usiamo a tutt'oggi, risale al 700.
Lo svedese Anders Celsius attribuì il valore 0 alla temperatura del ghiaccio che fonde e il valore 100 alla temperatura dell'acqua che bolle, poi suddivise l'intervallo in parti uguali definendo il grado centigrado. Però a pressione atmosferica inferiore, cioè in montagna, l'acqua bolle a meno di 100°C. L'ambiguità fu risolta quando si scoprì il punto triplo dell'acqua, una temperatura alla quale coesistono in equilibrio acqua, ghiaccio e vapore: in montagna o a livello del mare vale sempre 0,01 ⁰C.

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