Le Pulci nell'Orecchio

Divulgare il metodo scientifico perché ognuno possa giudicare in modo consapevole e autonomo.

Di Riccardo Magnani - indice articoli

Il caos vince sempre

Giugno 2021

Nessun pasto è gratis.
(Milton Friedman)

Ho già affrontato questo argomento in altri articoli ma, parlando con persone che non tengono la Fisica proprio sul palmo della mano, mi sono reso conto che c'è una certa resistenza ad accettare questo concetto. Quale? Il fatto che inevitabilmente, e qualunque cosa noi facciamo, anche solo respirare, provoca un aumento del disordine nell'Universo. Vedo già alcune facce perplesse. Le persone che ogni giorno rifanno i letti partendo da uno stato di disordine o che riordinano la scrivania in modo che ogni oggetto abbia il suo posto, sono già in disaccordo con me. Dove passano loro, la piccola porzione di Universo che hanno in cura sembra prendere la direzione opposta a quanto detto da me. Ma la realtà non è questa. Proviamo a spiegarlo.

Diciamo che la mamma di Claudio quando apre la porta e vede la stanza di suo figlio si sente male. Oggetti posati ovunque, libri aperti, vestiti abbandonati sulle sedie, insomma una vera esplosione di caos. La mamma rimette a posto tutto secondo un ordine che lei considera logico. Ed ecco il primo errore. Gli oggetti fuori posto per la mamma rappresentano semplicemente un ordine soggettivo diverso da quello di Claudio. Esistono infiniti modi per catalogare gli oggetti. Ad esempio tutta la biancheria intima in un cassetto, le camice in un altro e così via. Ma si potrebbero dividere i vestiti in base al colore. Primo cassetto il verde. Mutande verdi, magliette verdi, giubbotti verdi ecc. Mi direte che questo modo di classificare è scomodo e poco efficiente. È solo un esempio. Claudio nel suo apparente disordine trova tutto ciò che gli serve perché sa dove cercarlo. Quindi è semplicemente un ordine differente.

Dunque sediamoci comodi cercando come al solito di spiegare le cose il più possibile in modo semplice ma corretto.

Cominciamo col dire che la misura del disordine in fisica prende il nome di ENTROPIA. Quello che ho affermato all'inizio, ovvero che qualunque cosa facciamo andiamo ad aumentare il disordine dell'Universo, si può leggere così: ogni secondo che passa, l'Entropia dell'Universo aumenta. È possibile diminuire il disordine in un certo luogo a scapito però di aumentarlo in quantità maggiore in un altro. La freccia dell'entropia e quella del tempo puntano nella stessa direzione, più passa il tempo più aumenta il disordine.  Un altro modo di dirlo è questo: non è possibile trasformare una energia in un'altra senza perderne una parte in calore. Se fin qui tutto è chiaro posso anche dirvi, senza timore di perdere lettori, che questa affermazione prende il nome di "secondo principio della termodinamica". Per parlare del secondo è però necessario conoscere il primo che è molto semplice: L'energia non si crea e non si distrugge. Possiamo solo trasformarla da una forma in un'altra. Il suo significato è semplice. La quantità di energia nell'Universo è sempre la stessa. Non però la qualità.

Facciamo un esempio. I moderni motori a benzina delle auto hanno una efficienza energetica del 30%. Mettiamo un litro di benzina nella vostra automobile. Diciamo che l'energia contenuta in quel litro di benzina sia 100. Il motore è quello strumento che trasforma l'energia chimica della benzina in movimento. Durante questa trasformazione il 30% dell'energia della benzina diventa movimento, il 70% diventa calore che viene disperso nell'universo. Ma dove viene perso il calore? Dal radiatore che raffredda il motore, dai freni, dalle gomme che si scaldano con l'attrito sul terreno, dal tubo di scarico. Certo, se riuscissimo a diminuire queste perdite di calore, con un litro di benzina faremmo molti più kilometri. Ma consoliamoci perché una locomotiva a vapore trasformava in movimento solo l'8% dell'energia del carbone, il resto 92% andava tutto in calore. Come vedete nell'automobile l'energia che entra è 100. Anche quella prodotta 30 + 70 = 100 è la somma del lavoro prodotto più il calore disperso. È rispettato il primo principio: la conservazione dell'energia.  Ma la qualità dell'energia non è la stessa. Il calore che esce e si perde è una forma degradata di energia che non si può più utilizzare. Per il nostro uso la definiremmo sprecata.

Torniamo ora alla persona che è addetta a mettere in ordine la stanza questa volta non il disordine di Claudio che è solo un ordine diverso. Questa volta sono entrati i ladri che hanno messo tutto a soqquadro in modo caotico. Questo si può definire vero disordine perché gli oggetti sono buttati a caso qua e là. Terminato il lavoro per rimettere tutto a posto, quella persona potrà affermare di aver creato ordine dal disordine e quindi di aver disobbedito al secondo principio. Purtroppo non è vero. La fatica operata per riordinare il tutto è costata energia che ha richiesto il consumo a colazione, per esempio, di una tazza di latte con i biscotti, il miele e uno yogurt.

Ma per portare il latte a casa sua e prima al negozio, un furgone ha bruciato benzina, i trattori hanno arato e seminato il mais poi raccolto e dato alla vacca che ha prodotto il latte e col camion portato alla centrale. Idem per la farina per i biscotti. L'azienda che li produce usa macchinari che consumano energia per produrla ecc. Potremmo proseguire ma il senso è che ognuno di questi passaggi ha richiesto una trasformazione di energia di cui una parte cospicua è diventata calore inutilizzabile. In pratica, facendo bene i calcoli vi risulterà che l'ordine che avete fatto in quella stanza ha provocato un disordine cento volte superiore fuori di essa. Quindi l'entropia totale è aumentata.

Perché dunque questo secondo principio della termodinamica rema sempre contro di noi? Qualcuno potrebbe azzardare che, cacciati dal paradiso terrestre per disubbidienza, il Signore insieme a ...con dolore partorirai i figli ...con dolore trarrai il cibo dalla terra... abbia aggiunto... e qualsiasi cosa farai, con dolore vedrai l'Entropia aumentare sempre. Ma non è così. Dio non c'entra e questa non è una punizione. Infatti c'è un altro modo per definire il secondo principio ed è questo: in tutti i casi della vita dove un pizzico di fortuna non guasterebbe, di solito la dea bendata lascia il posto alla sfiga più nera. È una definizione di entropia un po' fuori dalle righe ma serve ad introdurre il seguente esempio.

Prendiamo un piatto di riso bianco. mettete al centro un cucchiaio di polpa di pomodoro, quindi mescolate partendo dal centro fate tre giri. Il riso si mischierà col rosso del pomodoro. A questo punto, senza togliere il cucchiaio, rifate la medesima rotazione in senso contrario. Vi aspettate che il riso torni bianco? Certamente no. Perché questa operazione è irreversibile?

Un altro esempio: prendete un mazzo di carte nuovo. Le carte sono tutte in bell'ordine divise per numero e per seme. Ora le mescoliamo per qualche minuto. Domanda: a questo punto vi aspettate che le carte siano ritornate nell'ordine iniziale? Sicuramente direte di no, come col riso. Ma in realtà non vi è nulla che vieta alle carte e al riso di ritrovarsi in quella posizione iniziale. La risposta corretta è: non è impossibile ma è altamente improbabile che questo avvenga. Quindi se comperate un biglietto della lotteria e non vincete, non c'entra la sfortuna. Era solo un evento altamente improbabile. Da questo deriva che il disordine è più probabile dell'ordine. Esistono mille modi per fare una cosa sbagliata ma uno solo per farla giusta. Per fare la cosa giusta (il disordine non aumenta) occorre fatica e concentrazione, quindi spreco di energie che aumentano l'entropia da un'altra parte. Se invece lascio che le cose vadano a rotoli, l'entropia va al galoppo. In entrambi i casi il calore prodotto scalda l'universo.

Un buon esempio di utilizzazione fino ai limiti del possibile anche dell'energia che è il sottoprodotto di una trasformazione, cioè il calore, è la centrale termoelettrica a ciclo combinato. Vi spiego in modo semplice come funziona quella vicina a casa mia.

Si tratta di una centrale a metano, quindi produce solo anidride carbonica e acqua come rifiuto. Il gas entra nella turbina. Il suo funzionamento è come quella del motore di un aereo ma invece di spingere l'aeromobile, fa ruotare un generatore di corrente che produce energia elettrica. I gas di scarico della turbina sarebbero il prodotto di rifiuto ma uscendo dallo scarico ad altissima temperatura sono in grado di riscaldare dell'acqua che diventando vapore mette in movimento una turbina a vapore che produce altra energia elettrica. Adiacente alla centrale passa il canale Muzza. L'acqua del canale serve a raffreddare il vapore per rimetterlo in ciclo. A questo punto il calore è passato all'acqua del canale la cui temperatura è di qualche grado superiore al suo valore normale. Così quest'acqua viene inviata con tubazioni ad alcune serre che beneficiano di questi ultimo avanzo di energia termica. Finito? No Dato che le anguille necessitano di acqua un poco più calda di quella dei nostri fiumi, un canale appositamente costruito porta l'ultimo calore disponibile al più grande allevamento d'Europa di questo pesce. Non ci crederete ma prima che l'acqua del canale Muzza si disperda per irrigare la fertile pianura padana, un piccolo salto d'acqua di qualche metro muove una turbina ad acqua producendo un ultimo refolo di energia elettrica. Un applauso meritato a quegli ingegneri che pur soggiacendo alla inevitabile aumento di entropia hanno estratto dal secondo principio... l'impossibile. Nonostante come avete visto, si sia cercato di sfruttare fino all'ultimo grado il calore generato dalla trasformazione del metano in energia elettrica, l'efficienza di questa centrale è del 60%.

Cos'è la vita nel contesto dell'entropia? Per non morire l'organismo deve tenere in ordine tutte le molecole complesse che formano il nostro corpo. Un lavoro immane che richiede un consumo di energia spaventoso. Dentro noi non c'è aumento di entropia perché l'ordine prevale, ma fuori di noi il calore che emettiamo agita in modo caotico le molecole d'aria e poi dell'universo. Inoltre per produrre energia demoliamo composti complessi come il glucosio ed espelliamo prodotti semplici come l'anidride carbonica e l'acqua. Per chiarire meglio: noi siamo come un puzzle che è qualcosa di complesso e rappresenta l'ordine. C'è qualcuno che ogni tanto si diverte a staccare qualche pezzo, ma noi li rimettiamo a posto subito spendendo energia. Quando non riusciremo più a mantenere ogni tassello al suo posto la daremo vinta all'entropia. La morte disperderà ogni pezzo del puzzle di cui siamo fatti in una disgregazione caotica che ci ridurrà in molecole semplici.

Lasciamoci alle spalle queste non allegre considerazioni ma prima di concludere vi voglio raccontare questa storiella che ha un esito, per molte persone, non scontato.

Il sig. Rossi, ecologista convinto, decide di fare funzionare la lampadina, con la quale legge il giornale, usando l'elettricità prodotta pedalando con la sua bici da camera alla quale ha collegato un generatore di corrente. Si siede sulla cyclette, comincia a pedalare. La lampadina si illumina, lui legge il giornale. Alla fine (un po' stanco ma soddisfatto) va a dormire felice della sua buona azione ecologica.
Ma il sig. Rossi dorme tranquillo perché non conosce il secondo principio della termodinamica. Non si può trasformare una forma di energia in un altra senza che ne venga persa una quantità in calore. Ciò significa che per generare quella energia il soggetto ha mangiato del cibo che è stato prodotto consumando più energia di quella da lui generata. Ha quindi inquinato il mondo un po' di più che se avesse attaccato la lampadina alla corrente di casa. Se invece, un po' meno ecologista, pensava di risparmiare sulla bolletta... ha centrato sicuramente il bersaglio.

Riccardo Magnani

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