Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica

Presentazione sul tema: "Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica"— Transcript della presentazione:

1 Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica
Democratici di Sinistra Federazione Provinciale di Messina Sezione Antonio Gramsci Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisica MESSINA – 18/03/04 (Beniamino Ginatempo)

2 Piano del seminario Parte I: Fondamenti della Fisica
La Fisica e la Filosofia La Fisica e la Storia Parte II: l’Energia e la sua utilizzazione (Entropia) Energia Sistemi fisici complessi Utilizzazione dell’Energia e dissipazione Entropia: Sistemi stazionari la vita e la morte (termica) Inquinamento Spartiacque entropico Parte III: Il buco dell’ozono e l’effetto serra Assorbimento Ozonosfera e ciclo dell’ozono Riflettività Effetto serra

3 La Fisica o Filosofia Naturale
Si comincia a fare Fisica nel momento in cui ci si chiede, per esempio: Cosa accade attorno a me? Perché e come avviene un determinato fenomeno? Esistono regolarità e/o analogie fra i fenomeni che osservo? Sono in grado di predire con accuratezza l’accadimento di un fenomeno? La Fisica nasce nel momento in cui si cerca di capire la realtà che ci circonda e diventa Scienza nel momento in cui le risposte che si trovano alle domande di cui sopra sono incontrovertibili e verificabili da chiunque. Delle domande di cui sopra, in particolare la no. 4 è rilevante e differenzia la Fisica da altre Scienze, in cui l’aspetto classificativo (no. 3) può essere preponderante, quali la Mineralogia.

4 Il Paradigma della Fisica
La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei) Galileo Galilei, il primo grande fisico sperimentale, si accorse che era possibile riassumere le regolarità osservabili nei fenomeni naturali mediante formule matematiche, a volte anche molto semplici: le Leggi della Fisica. Il suo metodo (provando e riprovando) consisteva nel ripetere, in maniera controllata, molte osservazioni (esperimenti) e dai risultati tramite un procedimento induttivo stabilire Principi e Leggi. Tale metodo è, per forza di cose, insufficiente: pur essendo molti i casi in cui una Legge è trovata valida, il numero di casi esplorati è comunque limitato ed è una pretesa (induzione) voler applicare tale legge a casi non ancora noti.

5 Isaac Newton si accorse che una volta postulati i Principi, tuttavia, tramite
la Matematica era possibile dedurre altre leggi (a priori) e formulare delle predizioni (un po’ come la dimostrazione dei teoremi) di fenomeni non ancora verificati o scoperti. La verifica sperimentale (a posteriori) di questi nuovi fenomeni, qualora positiva, dà forza al metodo ed è una conferma indiretta della validità dei Principi. Qualora, al di là di ogni dubbio, il fenomeno predetto non avvenga, allora si è in presenza di un fatto nuovo che implica la necessità di formulare dei nuovi principi a PARZIALE correzione di quelli già stabiliti (falsificazione).

6 Possiamo quindi individuare la seguente procedura:
Osservazione sperimentale di un numero grande ma limitato di fenomeni per postulare la validità generale di Princìpi e/o Leggi Deduzione teorica di possibili fenomeni dai principi (tesi) Verifica sperimentale delle deduzioni (antitesi) Eventuale correzione dell’insieme dei Principi (sintesi). Princìpi Deduzione Induzione Sì conferma Principi Osservazioni Predizioni Noelaborazione nuovi Principi Verifica

7 La Fisica e la Storia La Storia non è altro che una complicata sequenza di fenomeni fisici Questi fenomeni per quanto complicati e contraddittori sono stati e saranno regolati dalle leggi della Fisica Va detto che nello studio di sistemi fisici molto complessi, quale l’Umanità, le leggi della Fisica perdono predittività (Ilya Prigogine, La fine delle certezze) Ciò è dovuto al fatto che le predizioni fisiche risultano dalla imposizione di condizioni al contorno su certe equazioni: al cambiare delle condizioni cambiano i risultati. Esempio: se un’automobile viaggia a 100Km/h arriverà da Messina- Tremestieri a Catania-S.Gregorio in 45 minuti. Questo sarà vero se l’automobile non si guasta, se non cade un viadotto, se non ha incidenti, ecc.

8 Io principio della Termodinamica
Energia L’energia è una grandezza fisica che misura la capacità di un sistema fisico di compiere lavoro L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzo di forze A B B B A B A A B B A B A A B B A A B A B B A B A A B A B Io principio della Termodinamica L’energia di un sistema isolato si conserva (non si crea e non si distrugge)

9 L’animazione precedente esemplifica l’energia meccanica.
Ma il concetto di energia è molto più vasto e profondo In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico Anche il concetto di sistema fisico è estremamente generale I sistemi possiedono risorse (Energia) e possono, interagendo, scambiarsele Un sistema fisico può essere molto complesso, perché costituito da molti sottosistemi, e questi a loro volta da molti altri e così via fino ad arrivare ad elementi, le particelle, che si presuppongono non ulteriormente scindibili La complessità consiste nel fatto che i molti sottosistemi possiedono energia e possono scambiarsela. Più sono i sottosistemi più complicato è ricostruire e controllare tutti i passaggi di energia ovvero predire l’evoluzione del sistema stesso.

10 Tutti i sistemi naturali sono sistemi complessi, nel senso che la loro evoluzione
dipende dal comportamento individuale delle singole particelle: queste possono essere moltissime (e.g. in una mole di una sostanza vi sono sono atomi!!) e quindi le difficoltà di predire l’evoluzione di un sistema sono spesso tecnicamente insormontabili Non è ancora possibile calcolare (predire) il moto di tutte le particelle di una mole di gas Bisogna risolvere un sistema di 6x1023 equazioni differenziali in 6x1023 incognite per ogni istante Presto si costruiranno computers (World Simulator) capaci di eseguire ben 1014 operazioni al secondo Per eseguire 1023 operazioni ci vorranno 109 secondi

11 Evento Tempo (sec) Alcuni tempi caratteristici in secondi
Periodo dell’elettrone 10-16 Onde di spin 10-11 Diffusione degli atomi 10-6 Battito cardiaco 1 Rotazione terrestre (giorno) 86.4x103 Rivoluzione terrestre 31.6x106 Secolo 3.2x109 Tempo dalla Nascita di Cristo 63.2x109 Età della Terra 0.5x1013 Nascita dell’universo 1018

12 Dissipazione e Equipartizione dell’Energia
La complessità di un sistema fisico risiede nel fatto che i suoi sottosistemi, ovvero le sue particelle possiedono dei gradi di libertà Il punto materiale, la particella elementare della Fisica Classica, possiede 3 gradi di libertà traslazionali Un manubrio (e.g. “una molecola biatomica”) ha 3 gradi di libertà traslazionali, (il suo baricentro può traslare in tre direzioni ortogonali), più 2 gradi di libertà rotazionali simulazione

13 L’energia di un sistema isolato tende a ripartirsi fra tutti i suoi gradi di
libertà microscopici (Principio di equipartizione dell’energia), man mano che il sistema tende all’equilibrio, in assenza di altri vincoli Pendolo di Osborne In assenza di attrito questo moto continuerà per sempre (l’energia si conserva) Ma cosa succederebbe se esistessero dei gradi di libertà interni al corpo?

14 Nel moto del pendolo la Forza di Gravità trasforma continuamente l’Energia
Potenziale e in Cinetica e viceversa, lasciandone inalterata la somma, l’Energia Totale L’energia del corpo è l’energia di tutte le particelle che lo costituiscono: se esse possono muoversi lo faranno utilizzando la parte di energia totale che compete loro

15 Ma quando ciò accade, i moti dei singoli individui non saranno coordinati
e differiranno dal moto del baricentro del corpo (che, p.es., cercherà di oscillare) Si comprende quindi che una volta che parte dell’energia viene ceduta ai gradi di libertà microscopici difficilmente potrà accadere che le particelle si coordinino nel loro moto in maniera completa. Di conseguenza il moto del baricentro, ovvero il moto del corpo come un tutto, perderà via via sempre più energia fino a fermarsi del tutto, cioè l’ampiezza delle oscillazioni si ridurrà fino a zero Questo fenomeno è onnipresente in Natura e va sotto il nome di DISSIPAZIONE. Ma l’Energia totale si conserva, solo che non può più essere UTILIZZATA

16 Utilizzabilità dell’Energia
Nelle trasformazioni di energia non è sempre possibile utilizzare tutta l’energia disponibile Ciò è ben illustrato dal Problema del Bravo Tipografo: Ritagliare un cartoncino di forma 100x70 cm2 nel massimo numero di pezzi 40x30cm2 70 100 1 5 4 30 40 2 3 Questo è un problema di ottimizzazione, molto difficile da impostare ed ancor più da risolvere: minimizzare lo sfrido

17 Commenti sul Problema del Tipografo
Il tipografo ha fatto un ottimo lavoro, il migliore possibile date le circostanze: ha minimizzato lo sfrido È cruciale per la minimizzazione dello sfrido che i tagli siano assolutamente coordinati: se il primo taglio fosse il seguente non sarebbe più possibile ottenere cinque pezzi 1 2 3 4 Ciò vuol dire che se il cartoncino fosse in un magazzino e differenti utenti andassero separatamente a prelevare un pezzo singolo, si potrebbe avere facilmente uno spreco di cartoncino se gli utenti non seguissero la regola di buon utilizzo, cioè di coordinazione, stabilita dal bravo tipografo

18 Il cartoncino rappresenta le risorse disponibili, cioè l’energia
Il cartoncino rappresenta le risorse disponibili, cioè l’energia. Al momento del suo utilizzo però non è stato possibile sfruttare tutte le risorse disponibili. Ciò è quasi sempre vero, perché solo in particolarissime circostanze è possibile utilizzare tutte le risorse Pensate, per esempio, al bilancio di una regione: ad ogni assessorato vengono assegnate delle risorse finanziarie che un buon assessore vorrà spendere interamente nell’interesse pubblico. Egli le utilizzerà in vari tronconi, di solito mediante gare d’appalto. Ma alcuni lavori di grande utilità magari non si potranno effettuare perché i fondi non basteranno, specialmente se le risorse verranno spese in tanti piccoli/medi appalti NON COORDINATI fra loro. Alla fine dell’anno ci saranno delle risorse non utilizzabili: i residui passivi dei bilanci. In tal caso l’assessore non sarà stato un bravo tipografo.

19 Le risorse non più utilizzabili sono un danno
Le risorse non più utilizzabili sono un danno. Se il bravo tipografo non è più in grado di riciclare il cartoncino di sfrido rimastogli (p.es. per fare dei biglietti da visita), lo butterà nel bidone della spazzatura, e da lì finirà magari in discarica o bruciato: contribuirà all’inquinamento Questo avanzo di risorse non utilizzabili è un costo enorme per la società: si pensi che dietro allo smaltimento dei rifiuti ci sono le cosidette ecomafie; l’inquinamento delle falde acquifere a causa delle discariche; l’inquinamento da diossina dell’aria se si bruciano insieme carta e plastica; etc.

20 Cosa accomuna il Pendolo di Osborne ed il problema del tipografo?
Il pendolo di Osborne e il problema del tipografo hanno una chiave di interpretazione comune dal punto di vista dell’utilizzo dell’Energia Il fatto che le singole particelle all’interno del corpo oscillante si muovano in maniera disordinata è il motivo per il quale il moto del corpo come un tutto si arresta. Se il taglio dei pezzi del cartoncino avviene in maniera disordinata, ci sarà molto sfrido Quindi, il disordine è la chiave di interpretazione Il disordine ovvero l’assenza di regole osservate da tutti gli individui non consente l’utilizzo di tutte le risorse disponibili, e di conseguenza crea un danno per il comportamento collettivo

21 Trasformazioni dell’energia e inquinamento
Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo è una macchina termica: un apparato che consente di trasformare Energia da un tipo ad un altro P.es. un motore d’auto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatore trasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energia elettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in energia termica; etc. Tuttavia accanto a queste trasformazioni, che sono irreversibili, vi sarà sempre una parte della energia inizialmente disponibile trasformata in calore, a causa della dissipazione. Tutte queste macchine, che servono a migliorare la vita dell’uomo, cioè che sono il progresso, hanno un rendimento inferiore ad 1 Questo fatto è inevitabile a causa del IIo principio e porta ad un aumento dell’Entropia dell’ambiente.

22 IIo Principio della Termodinamica
Entropia Abbiamo visto come l’utilizzazione dell’energia disponibile sia soggetta a limitazioni che sembrano negare il Io principio della termodinamica Ciò suggerisce che si possa introdurre un nuovo principio di Fisica: il IIo Principio della Termodinamica Una possibile formulazione rigorosa: Esiste una funzione di stato, l’Entropia, le cui variazioni misurano quanta energia, ad una fissata temperatura, diventa inutilizzabile in una data Trasformazione: l’Entropia di un sistema isolato non può diminuire L’Entropia è massima quando un sistema isolato raggiunge l’EQUILIBRIO Equilibrio significa che tutti i sottosistemi (e.g. anche le singole particelle) hanno tutti la stessa energia, e quindi non si possono più avere scambi energetici da un sottosistema ad un altro: la morte termica

23 forme di equilibrio dinamico o stazionario
L’equilibrio termico assoluto è statico, ma fortunatamente esistono altre forme di equilibrio dinamico o stazionario La stazionarietà è, per esempio, caratteristica di quei sistemi non isolati che ricevono continuamente dall’ambiente esterno la stessa quantità di Energia per unità di tempo (p.es. al giorno) e ne restituiscono una parte Sistema stazionario E2 Sistema stazionario Sistema stazionario E1 E2 E1 Questo è il caso degli esseri viventi che si nutrono (cioè interagiscono con l’ambiente), ovvero è il caso della Terra che riceve dal Sole più o meno la stessa quantità di energia ogni giorno e che viene utilizzata dagli esseri viventi, dall’atmosfera, etc.

24 Come è usata l’energia da un sistema fisico?
Un essere vivente si nutre di Entropia (E. Schrödinger). Questo vuol dire che un essere vivente è capace, sfruttando l’Energia che riesce ad assorbire dall’ambiente in cui vive (il nutrimento), di diminuire la propria entropia. Ma l’Entropia del sistema isolato {essere vivente + ambiente} comunque aumenterà, per il II principio della Termodinamica L’Energia viene usata da un sistema fisico tramite continue trasformazioni da un tipo in un altro. Come vedremo queste trasformazioni producono un aumento di Entropia totale ma si possono avere diminuizioni locali (e.g. in un singolo sottosistema) di Entropia, cosa che si può ottenere solo usando l’energia esterna. Sistema stazionario E1 E2 È possibile che

25 Accade quindi che l’utilizzo dell’Energia da parte del sistema fisico stazionario avviene
mediante due tipi di processo in competizione fra loro: Processi che fanno crescere l’entropia di tutto il sistema stazionario (entropici) Processi che fanno diminuire l’entropia di tutto il sistema stazionario (sintropici) Il bilancio dinamico fra questi processi è delicatissimo: se si utilizza troppa energia per i processi entropici potrebbe non restare abbastanza energia per i processi sintropici Il sistema fisico continua a vivere (i suoi sottosistemi possono scambiare energia fra loro) se i processi entropici non soverchiano quelli sintropici In altre parole: se le trasformazioni di energia (e.g da meccanica in elettrica) fanno crescere troppo velocemente l’entropia rispetto a quei processi vitali che sono in grado di diminuire l’entropia del sistema, il risultato sarà un aumento continuo nel tempo dell’entropia del sistema Se l’aumento di entropia non è accompagnato da un aumento della energia proveniente dall’esterno, si arriverà ad un punto di non ritorno, il cosidetto Spartiacque Entropico: da quel momento in poi non sarà più possibile arrestare la continua crescita dell’entropia ed il sistema si avvicinerà inesorabilmente e velocemente alla morte termica

26 In sostanza la vita dell’uomo sulla Terra è possibile solo perché aumenta
l’Entropia della Terra e dell’ambiente che lo circonda. L’uomo, di conseguenza, deve inquinare per vivere ma dovrebbe stare attento ad inquinare il meno possibile come il bravo tipografo. Altrimenti: Non utilizza al meglio le sue risorse Fa crescere troppo velocemente l’Entropia Altrimenti, cioè, si avvicina cioè allo Spartiacque Entropico

27 Un esempio storico-economico preso da
J. Rifkin, Entropia la Legge Fondamentale dell’Universo Alla fine del XV secolo le nazioni che dominavano il mondo e si facevano la guerra erano in una profonda crisi economica (p.es. gli armamenti costavano troppo) e la produttività della nazione non riusciva a coprire i costi. Nel linguaggio di questo seminario non c’era sufficiente Energia per ridurre l’Entropia del sistema fisico nazione Ci volle infatti la scoperta della America (12/10/1492) per far affluire in Europa risorse sufficienti a governare ed a ricominciare le guerre. Il sistema fisico Europa era vicino allo spartiacque entropico.

28 Lo Spettro delle onde elettromagnetiche
Lunghezza d’onda l=10n m 6 4 2 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 n= Radio diffusione (onde medie) Onde radio (lunghe) Luce visibile Raggi X Onde radio (corte) Raggi g TV infrarosso ultravioletto radar Frequenza n=10k Hz 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 k =

29 Assorbimento e Ozonosfera
Supponiamo che un’onda elettromagnetica piana passi dal vuoto alla materia Vuoto Materia -e +e z -e +e -e +e -e +e -e +e L’atomo, sotto l’azione del campo elettrico, oscillerà come un oscillatore armonico smorzato e forzato. Se la frequenza dell’onda è vicina alla frequenza di risonanza dell’atomo, allora l’ampiezza delle oscillazioni sarà grande. Se l’atomo oscilla vuol dire che l’onda elettromagnetica compie lavoro, cioè trasferisce energia alla materia. Se l’atomo non oscilla, perché la sua frequenza propria è molto diversa dalla frequenza dell’onda, allora questo trasferimento di energia non avviene.

30 La funzione che descrive la risposta della materia all’onda e. m
La funzione che descrive la risposta della materia all’onda e.m. si chiama suscettività, e tipici andamenti in funzione delle frequenza sono mostrati nella seguente figura: La suscettività quindi assume relativamente grandi valori alla frequenza di risonanza e tende a zero per frequenze elevate. È piccola ma non nulla per bassa frequenza. Ciò vuol dire che per alta frequenza (rispetto alla frequenza di risonanza) la materia assorbe poco le radiazioni. Infatti i raggi  attraversano la materia abbastanza indisturbati

31 quindi, uno dei molti strumenti necessari alla vita su questo pianeta.
In pratica succede che l’ampiezza dell’onda, e quindi la sua intensità decresce all’interno della materia g =0.2 =0.8 z Vuoto Materia Se l’ampiezza si annulla, cioè l’onda viene assorbita, allora il corpo investito dalla radiazione sarà opaco. Al contrario se l’onda viene assorbita poco, il corpo potrà essere trasparente Le diverse sostanze assorbono le radiazioni solari in regioni (o bande) di frequenze a volte differenti. L’ozono (O3), per esempio assorbe moltissimo i raggi ultravioletti Siccome l’esposizione ai raggi ultravioletti è dannosa per le molecole biologiche (altera le reazioni biochimiche alla base della vita) la presenza nell’atmosfera di uno spesso strato di ozono impedisce ai raggi ultravioletti di giungere fin sulla superficie terrestre ed è, quindi, uno dei molti strumenti necessari alla vita su questo pianeta.

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40 Riflettività ed Effetto Serra
Accanto al fenomeno dell’assorbimento c’è un altro fenomeno rilevante per i problemi ambientali: la riflettività Quando un’onda elettromagnetica investe la superficie di un corpo parte dell’energia trasportata viene trasmessa (e quindi magari assorbita) parte viene rimandata indietro i r2 r1 Quanta energia può passare al secondo mezzo e quanta ritorna nel primo, tramite l’onda riflessa, dipende dalle proprietà del secondo mezzo. P. es. l’argento rimanda indietro quasi tutta l’energia che l’investe (fino alla luce visibile) ed è, infatti, il miglior materiale per costruire gli specchi

41 L’emisfero terrestre assorbe energia dal Sole per dodici ore e nelle successive dodici si
raffredda emettendo radiazione infrarossa (come tutti i corpi a temperatura non nulla) Questa cessione di energia è vitale: così infatti la Terra si mantiene in equilibrio termico e i fenomeni biofisici e biochimici che avvengono sulla sua superficie possono continuare ad avvenire (p.es. il ciclo dell’acqua, la funzione clorofilliana, i ghiacciai, etc.) Il vetro (o il nylon) che racchiude una serra consente alla luce di passare ma impedisce al calore di fuoruscire perché è un ottimo isolante termico: cioè ha la proprietà di riflettere la radiazione infrarossa Ora, se la Terra fosse avvolta da uno strato di grande riflettività nell’infrarosso, queste radiazioni ritornerebbero sulla sua superficie e la Terra non si potrebbe raffreddare con la conseguente alterazione dei processi biofisici e biologici che su di essa avvengono Purtroppo così è. I motori ad idrocarburi, particolarmente quelli delle centrali elettriche, producono una enorme quantità di cosidetti gas serra come l’anidride carbonica. Questi gas si stabilizzano ad una certa quota nell’atmosfera e costituiscono uno strato che ha una grande riflettività nell’infrarosso. Questo rallenta la velocità di raffreddamento della Terra ed ha drammatiche conseguenze come la desertificazione, la tropicalizzazione del Clima, etc. Si rifletta che tutto ciò dipende dalla produzione di Entropia, cioè del forse non ottimale uso delle risorse

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43 Stima dell’Aumento di alcuni Gas Serra dalla Rivoluzione Industriale ad Oggi

44 Effetto di una piccola centrale termoelettrica sulla formazione di nuvole dense (PM10)
Distanza = 130Km

45 Australia Costa Est degli USA

46 Conclusioni Le limitazioni nell’utilizzo dell’energia che derivano dal II0 Principio della Termodinamica fanno sì che sia inevitabile l’aumento dell’Entropia, e quindi l’inquinamento, nelle trasformazioni di energia, essenziali per la vita dell’Uomo sulla Terra È tuttavia possibile benché difficile, come il problema del tipografo dimostra, utilizzare le risorse in modo da minimizzare gli aumenti di Entropia e quindi l’inquinamento Recenti studi sostengono che agli attuali ritmi di consumo il petrolio prodotto basterà al massimo per altri 20 (40?) anni il combustibile nucleare al massimo per altri 30 (50?) anni Siamo vicini ad un nuovo storico spartiacque entropico? Che fare? Le migliori ricette sembrerebbero: Diminuire DRASTICAMENTE i consumi Utilizzare al meglio le risorse, cosa che si può ottenere solo con AZIONI COORDINATE E SOLIDALI perché solo un comportamento collettivo minimizzerà gli aumenti di ENTROPIA