Qui accanto è presentato un esempio di macchina termica (in particolare di macchina di Carnot): la sorgente calda a temperatura TH cede il calore QH, la macchina termica cede il calore QC alla sorgente fredda a temperatura TC. La macchina termica compie lavoro W sull'ambiente esterno.
Nel caso ideale, tutto il calore fornito alla macchina termica si trasforma in lavoro, ma in realtà (poiché non è possibile realizzare un sistema perfettamente isolato, cioè privo di attriti e dissipazioni e anche perché c'è bisogno che la macchina lavori fra due sorgenti a temperatura diversa) vi è sempre una parte di calore che va perso e non è più utilizzabile.
Il primo principio della termodinamica e le trasformazioni reversibili
Molti sapranno che il primo principio è riassumibile nella formula ''L'energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma''.Vediamo concretamente quello che vuol dire.Innanzitutto dobbiamo fare una netta distinzione fra modello (cioè caso ideale) e caso reale. Infatti, per adesso, ci occuperemo di trasformazioni reversibili. Una trasformazione termodinamica è un processo mediante il quale un sistema termodinamico (un qualsiasi corpo fisico, nel caso più semplice, un gas) passa da uno stato di equilibrio termodinamico (nell'esempio del gas si ha l'equilibrio quando pressione, volume e temperatura dello stesso sono ben definite e non variano nel tempo) ad un altro.
Quando questa trasformazione avviene così lentamente che si può assumere che il sistema in esame passi da uno stato iniziale A ad uno finale B tramite una successione di infiniti stati di equilibrio si parla di trasformazione quasistatica: essa viene anche chiamata trasformazione reversibile perché può essere invertita portando il sistema nelle condizioni iniziali senza che ciò comporti alcun cambiamento nel sistema stesso e nell'universo.
Il secondo principio della termodinamica e l'impossibilità di trasformazioni reversibili in Natura
Abbiamo visto come si possa, in teoria, invertire il senso di una trasformazione reversibile facendo tornare il sistema dallo stato finale a quello iniziale senza alterare l'ambiente circostante.
Ma, in Natura, sembra esserci un verso preferenziale in cui avvengono i fenomeni (malgrado le leggi fisiche non facciano distinzione fra passato e futuro, cioè sono simmetriche per inversione temporale). Faccio un esempio. Immaginate di tenere in mano un cubetto di ghiaccio: senza dubbio lo vedrete sciogliersi, diventando acqua liquida, ma non accadrà mai che quell'acqua si tramuti spontaneamente in ghiaccio a contatto con la vostra mano. Sembra esserci quindi un verso unico in cui si trasmette il calore, cioè dal corpo
più caldo (che si raffredda) a quello più freddo (che si riscalda) finché i due corpi saranno in equilibrio termico.
Ora pensate di far cadere accidentalmente un vaso di ceramica a terra: esso, com'è ovvio, andrà in mille pezzi, eppure non c'è alcuna legge fisica (almeno a livello classico) che impedisca ai cocci, qualora venissero invertite tutte le loro velocità (o meglio, i versi delle loro velocità), di tornare a formare il vaso originario.
C'è quindi una specie di ''senso unico'' in cui avvengono gli eventi, meglio conosciuto come FRECCIA DEL TEMPO, che è anche quello che ci fa distinguere fra passato e futuro.
Entropia e freccia del tempo
Nell'ambito del secondo principio della termodinamica, viene introdotta una nuova grandezza chiamata ENTROPIA (indicata con la lettera S).
Se prendiamo due sorgenti termiche a diversa temperatura tra cui lavora una macchina termica, c'è un importante teorema, il teorema di Carnot, il quale ci assicura che il rapporto fra il calore assorbito dalla sorgente più fredda e quello assorbito dalla sorgente più calda (Qfredda/Qcalda) è uguale al rapporto fra le loro temperature (T fredda/T calda), cioè Qfredda/Qcalda = T fredda/T calda e quindi Qfredda/T fredda = Qcalda/T calda.
Il rapporto fra Q e T è la variazione di entropia di un sistema (considerato che Q e T sono variazioni infinitesimali).
Ma l'entropia può essere espressa anche in forma statistica ed in questo caso esprime il disordine di un sistema, cioè il numero di configurazioni non ordinate (che sono sempre più probabili dell'unica configurazione ordinata). Se pensiamo alle pagine di un libro l'unica configurazione ordinata è quella che va dalla prima pagina fino all'ultima in ordine (pagg. 1,2,3,4,5,6,7,8...n) mentre le altre che non rispettano quest'ordine vanno ad aumentare l'entropia. Per noi, infatti, l'unico stato interessante è quello con le pagine che vanno dalla prima all'ultima in ordine, mentre non ci interessa che, se le pagine sono in disordine, la pagina 48 venga prima di pagina 23 o che pagina 54 venga dopo pagina 95 ma soltanto che sono in disordine: la distinzione è quindi tra pagine in ordine (una configurazione possibile) e pagine in disordine (moltissime configurazioni possibili).
Ebbene, sia nel primo che nel secondo caso la diminuzione di entropia di un sistema comporta necessariamente l'aumento di entropia di un altro sistema, aumento uguale (nel modello, p.e. in trasformazione perfettamente reversibili) o maggiore (nei casi reali) al valore assoluto della diminuzione di entropia avvenuto nel primo sistema.
L'entropia è quindi ciò che ci permette di distinguere tra passato e futuro, perché il passato ha meno entropia del presente che ha meno entropia del futuro, cioè l'entropia cresce al passare del tempo tendendo ad un valore massimo. Queste considerazioni permettono di formulare un'ipotesi sul destino dell'Universo, in cui tutti i corpi avranno la stessa temperatura (molto prossima allo zero assoluto) e non ci sarà più calore utile al lavoro (infatti aumentando l'entropia diminuisce il calore utile). Questo, però, è solo uno degli scenari possibili.
Entropia e buchi neri: l'ipotesi del principio olografico
Lo studio della termodinamica è attualmente legato alla termodinamica dei buchi neri: questa è una area di studio che cerca di riconciliare le leggi della termodinamica con l'esistenza dell'orizzonte degli eventi del buco nero. I buchi neri, semplificando, sono degli oggetti talmente massivi che dalla loro superficie (chiamata orizzonte degli eventi) non può fuggire neppure la luce. Per citare Brian Greene (La trama del cosmo, pag.561 sgg. dell'edizione italiana):
Tra tutti, ma proprio tutti i sistemi fisici di una data dimensione, qualunque sia la loro composizione, i buchi neri sono quelli che contengono la maggiore quantità di entropia.[...] L'entropia, in soldoni, è una misura del numero di cambiamenti delle configurazioni microscopiche di un sistema che non alterano le sue proprietà macroscopiche. Anche se non sappiamo nulla sugli stati microscopici di un buco nero, perché non sappiamo cosa accade alla materia schiacciata nel suo centro, siamo certi che un loro cambiamento di configurazione non ha influenza sulla massa, sulla carica e sulla rotazione, proprio come mischiare le pagine di Guerra e Pace non cambia il peso del volume. E poiché queste sono le uniche proprietà che caratterizzano un buco nero, ne consegue che qualsiasi cambiamento delle configurazioni interne non ha effetto sul suo stato macroscopico: l'entropia è massima.Inoltre, dopo altre considerazioni, si perviene ad altre importanti conclusioni (ibidem):
[...] la massima entropia che può essere presente in una regione spaziale, ovunque e in ogni tempo, è uguale a quella contenuta in un buco nero delle stesse dimensioni.[...] l'entropia di un buco nero è proporzionale non al suo volume ma all'area del suo orizzonte degli eventi, e cioè all'incirca alla sua superficie esterna.[...] Se la massima entropia di una qualunque regione spaziale è proporzionale alla sua superficie e non al suo volume, allora forse i veri gradi di libertà, gli attributi fondamentali che possono dar luogo al disordine, stanno solo sulla superficie esterna e non all'interno. In altre parole, forse i veri processi fisici dell'universo si svolgono in una remota superficie che lo circonda tutto, e noi ne vediamo solo le proiezioni. Forse l'universo è in realtà un ologramma.Questo è ciò che viene chiamato principio olografico ed è uno dei motivi principali per cui l'entropia e quindi la termodinamica (finora l'unica teoria fisica completa e non smentita) riveste un'importanza capitale nella ricerca di una teoria ultima che sia capace di spiegare ogni fenomeno fisico.
L'idea del principio olografico è stata sviluppata in primis da Gerardus 't Hooft e Leonard Susskind, e poi ampliata da Juan Martín Maldacena che ha sviluppato una teoria matematica in cui la fisica del consueto universo tridimensionale (quadridimensionale se si considera il tempo) è identica a quella della superficie di contorno con dimensione minore di una unità, cioè bidimensionale (o tridimensionale se si considera il tempo). Questa teoria ingloba in sé la gravità ed è quindi una candidata ad essere una TOE (Theory of Everything, Teoria del Tutto). Ma anche in questo ambito vale ciò che abbiamo già detto sul Multiverso, ovvero che fino a quando non avremo prove concrete e sperimentali a sostegno di tale ipotesi (se le avremo), essa è da considerarsi solo uno ''stratagemma matematico'' senza riscontro fisico.
Fonti: http://it.wikipedia.org/wiki/Termodinamica
http://it.wikipedia.org/wiki/Termodinamica_dei_buchi_neri
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