Le profonde implicazioni del secondo principio della termodinamica

di Zornas Greco

Oggi voglio parlare di un argomento molto affascinante e importante per la fisica: il secondo principio della termodinamica. Questa legge ci dice qualcosa di fondamentale sul comportamento dei sistemi fisici e sul senso del tempo. Ma cos’è esattamente il secondo principio della termodinamica e come si può formulare?

La seconda legge della termodinamica si presenta in diverse formulazioni equivalenti, che esprimono lo stesso concetto da punti di vista diversi. Le più note sono le seguenti:

– Formulazione di Clausius: “È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l’apporto di lavoro esterno”. Questa formulazione ci dice che il calore non può fluire spontaneamente da una sorgente fredda a una calda, ma occorre fornire energia sotto forma di lavoro per realizzare questo processo. Questo spiega perché, ad esempio, non possiamo riscaldare una tazza di tè con l’aria ambiente, ma dobbiamo usare una fonte di calore più calda, come un fornello o un microonde.

– Formulazione di Kelvin-Planck: “È impossibile realizzare una macchina termica ciclica il cui unico risultato sia la conversione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea”. Questa formulazione ci dice che non possiamo sfruttare completamente l’energia termica di un corpo per produrre lavoro meccanico, ma dobbiamo sempre cedere una parte del calore a una sorgente più fredda. Questo spiega perché, ad esempio, non possiamo costruire una macchina che funzioni con il solo calore del sole, ma dobbiamo usare un refrigerante per dissipare il calore in eccesso.

– Formulazione entropica: “In un sistema isolato l’entropia è una funzione non decrescente nel tempo”. Questa formulazione ci introduce il concetto di entropia, che è una misura del disordine o della casualità di un sistema. L’entropia è una grandezza che dipende dallo stato termodinamico del sistema e che aumenta quando il sistema subisce una trasformazione irreversibile, cioè che non può essere ripetuta al contrario senza alterare l’ambiente esterno. L’entropia è anche legata alla quantità di informazione necessaria per descrivere lo stato del sistema: più il sistema è disordinato, più è difficile prevedere il suo comportamento e più informazione occorre per specificarlo. Questa formulazione ci dice che l’entropia tende a massimizzarsi nel tempo, portando il sistema verso uno stato di equilibrio termico e massimo disordine. Questo spiega perché, ad esempio, non possiamo riordinare spontaneamente le carte di un mazzo dopo averle mescolate, ma dobbiamo usare un criterio preciso per riordinarle.

Queste formulazioni sono tutte equivalenti e possono essere dimostrate l’una dall’altra usando i principi della meccanica statistica, che è la branca della fisica che studia il comportamento dei sistemi costituiti da un gran numero di particelle elementari, come atomi o molecole. La meccanica statistica ci permette di collegare le proprietà macroscopiche dei sistemi termodinamici, come temperatura, pressione o entropia, alle proprietà microscopiche delle particelle che li compongono, come posizione, velocità o energia. Usando la meccanica statistica possiamo dimostrare che l’entropia è proporzionale al logaritmo del numero di configurazioni microscopiche possibili per il sistema in uno stato macroscopico dato. Più configurazioni sono possibili, più alto è il valore dell’entropia e più bassa è la probabilità che il sistema si trovi in uno stato diverso da quello di equilibrio.

La seconda legge della termodinamica ha delle implicazioni molto profonde e interessanti per la comprensione della natura. Essa ci dice che esiste una direzione privilegiata nel tempo, quella in cui l’entropia aumenta, e che questa direzione coincide con quella in cui si svolgono i fenomeni naturali. Essa ci dice anche che esistono dei limiti alla trasformazione dell’energia e che non possiamo realizzare processi perfettamente reversibili o efficienti. Essa ci dice infine che esiste una relazione tra il disordine di un sistema e la sua capacità di elaborare informazione: più un sistema è ordinato, più può memorizzare o trasmettere informazione, ma anche più lavoro occorre per mantenerlo in tale stato.

Questa legge ha delle conseguenze sorprendenti e a volte paradossali. Per esempio, ci dice che non è possibile costruire una macchina che trasformi completamente il calore in lavoro, senza produrre alcun rifiuto o scarto. Questo limite è noto come il rendimento di Carnot e vale per qualsiasi macchina termica, dal motore a scoppio alla centrale nucleare. Ci dice anche che non è possibile creare o distruggere l’informazione, ma solo trasformarla o trasmetterla. Questo principio è alla base della teoria dell’informazione e della crittografia.

Il secondo principio della legge della termodinamica ci rivela anche qualcosa di fondamentale sulla natura del tempo. Il tempo è una dimensione fisica che misura il cambiamento degli stati di un sistema. Ma perché il tempo scorre in una sola direzione? Perché non possiamo tornare indietro e modificare il passato? La risposta è che il tempo è legato all’entropia: il passato ha meno entropia del futuro, perché è più ordinato e prevedibile. Il futuro ha più entropia del passato, perché è più disordinato e casuale. Il tempo scorre verso il futuro perché l’entropia aumenta.

Il secondi principio della termodinamica è quindi una delle leggi più importanti e affascinanti della fisica, che ci permette di capire meglio il nostro mondo e il nostro destino.

Se volete approfondire l’argomento, vi consiglio di consultare le seguenti fonti:

– Secondo principio della termodinamica – Wikipedia

– Secondo principio della Termodinamica – YouMath

– L’entropia spiegata in modo semplice – Andrea Minini

– Quali sono le tre leggi della termodinamica? – Greelane.com