Il sogno dell’energia infinita e il risveglio dell’entropia Dal moto perpetuo al secondo principio della termodinamica

Il moto perpetuo Attorno al 1150, l'astronomo e matematico indiano Bhaskara descrisse una ruota in legno con raggi cavi riempiti di mercurio. Poiché da un lato il liquido pesante distava maggiormente dal centro rispetto all'altro, la ruota avrebbe dovuto girare per inerzia all'infinito. 

Il moto perpetuo e Aristotele Aristotele aveva escluso qualsiasi forma di movimento infinito al di sotto della luna, nella convinzione che solo gli astri ruotassero gli uni attorno agli altri in eterno. Il XIII secolo, quando l'uomo tentò per la prima volta di riprodurre il moto perpetuo celeste sulla terra, segnò una rottura con l'antica visione del mondo.

Leonardo Da Vinci aveva capito! Lo stesso Leonardo da Vinci non restò immune al fascino del movimento continuo. Tra i suoi appunti figurano gli schizzi di macchine che si autoalimentano e di un congegno atto a sfruttare l'aria calda di un camino per far ruotare uno spiedo sul fuoco. Tuttavia, Leonardo prese pubblicamente le distanze dall'idea: "O speculatori del moto perpetuo, andate con i cercatori dell'oro con i vostri vani disegni".

La fine del sogno Nel 1775 l'Accademia Reale delle Scienze di Parigi ne aveva abbastanza di dilettanti e svitati e decise di "respingere e non dare seguito a qualsiasi proposta concernente il moto perpetuo", una scelta dettata solo dalle esperienze immancabilmente negative, senza alcuna teoria che confutasse il principio.

Effetti dell’ossessione l circolo vizioso in cui è incappata secoli fa l'ossessione per il movimento continuo comporta anche vantaggi per la scienza. Da pensieri strampalati possono scaturire idee brillanti. Il principio di conservazione dell'energia, il primo principio della termodinamica, è frutto dell'affannosa ricerca del moto perpetuo, così come il secondo, con il conseguente concetto di entropia come misura del caos. L'enunciato del secondo principio implica l'impossibilità di ottenere dal calore energia non degradata, come la corrente elettrica, senza consumare energia. L'idea di un dispositivo alimentato in eterno unicamente dal calore dell'ambiente circostante è pertanto destinata a fallire. D'altro lato, la sfida all'impossibile ha contribuito a un'invenzione estremamente pratica: la macchina a vapore. A tutt'oggi, perfino la scienza più rigorosa accarezza ancora il sogno del paradiso energetico. Nel 1989 la "fusione a freddo" suscitò grande clamore tra gli esperti, allorché due chimici sostennero di aver fuso nuclei atomici a temperatura ambiente. Benché la fusione nucleare consenta di generare energia, solitamente richiede temperature molto elevate o laser estremamente potenti. In assenza di tale dispendio energetico il processo diventerebbe una sorta di moto continuo. I ricercatori di tutto il mondo hanno tentato di replicare l'esperimento. Invano. 

I superconduttori Il fenomeno che si avvicina maggiormente al moto perpetuo è la superconduttività. In speciali materiali congelati, la corrente può circolare all'infinito perché non incontra alcuna resistenza elettrica. Sebbene il congelamento richieda per ovvi motivi energia, il dispendio sarebbe minore del guadagno: il primo superconduttore scoperto si attivava solo alla temperatura di –269 °C, il conduttore in ceramica attualmente più efficace perde la propria resistenza già a –135 °C.

Eppur non si muove! Eppure, sia singoli individui che intere aziende continuano a cimentarsi in imprese inverosimili. Nel 2007 si poteva ammirare su Internet un dispositivo della compagnia irlandese Steorn sorprendentemente simile al modello di Bhaskara del XII secolo: una ruota in plexiglas dotata di magneti. Il mondo rimase a guardare e constatò: la ruota non si mosse. Di certo fervono già i preparativi per il prossimo marchingegno che genera energia cinetica all'infinito. Evidentemente, l'idea stessa è un moto perpetuo alimentato da curiosità e caparbietà. Ecco perché passano in sordina anche i richiami all'ordine da parte delle autorità, come quando nella serie televisiva "I Simpson" Homer intima alla figlia Lisa, alle prese con una rudimentale macchina a moto perpetuo: "Lisa, vieni subito qui! In questa casa ubbidiamo alle leggi della termodinamica!". 

La freccia del tempo Il concetto di freccia del tempo esprime la dipendenza dei fenomeni fisici dalla inversione temporale. Un fenomeno fisico è invariante rispetto al tempo se esso non può essere usato per distinguere il passato dal futuro. Ad esempio, il moto dei pianeti è invariante rispetto al tempo come anche il moto di caduta libera di un grave ecc.

Il secondo principio della termodinamica e freccia del tempo Il secondo principio della termodinamica è legato alla freccia del tempo perché tiene conto dell’irreversibilità dei fenomeni termodinamici Una trasformazione termodinamica avviene spontaneamente sempre nella direzione di un aumento dell’entropia quindi l’aumento dell’entropia consente di distinguere il passato dal futuro

La formulazione di Claudius (1850) Non è possibile realizzare una macchina termica il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da una sorgente termica a temperatura più bassa ad una sorgente termica a temperatura più alta

La formulazione di Kelvin Non è possibile realizzare una macchina termica il cui risultato finale sia esclusivamente la trasformazione di calore in lavoro

Equivalenza degli enunciati La negazione dell’enunciato di Clausius conduce alla negazione dell’enunciato di Kelvin

Equivalenza degli enunciati La negazione dell’enunciato di Kelvin conduce alla negazione dell’enunciato di Clausius

La macchina di Carnot Una macchina di Carnot lavora reversibilmente tra due sorgenti (invariante rispetto alla freccia del tempo) Teorema di Carnot: una qualsiasi macchina reversibile ha rendimento maggiore o uguale di quello di una macchina irreversibile che lavori tra le stesse temperature

L’entropia Per una macchina reversibile che lavori tra due temperature si ha: Per una macchina irreversibile che lavori tra le stesse due temperature si ha: Con passaggi matematici non semplici, il secondo principio della termodinamica può essere formulato in termini della funzione di stato entropia come segue: nei sistemi isolati ∆S>0. (Morte termodinamica dei sistemi isolati)