ENTROPIA

La termodinamica è quella branca della fisica e della chimica (chimica fisica) che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di calore in lavoro e viceversa..

Esistono tre principi fondamentali che ne sono il fondamento teorico:

0) Il principio zero della termodinamica (detto talvolta zeresimo principio della termodinamica) stabilisce che, se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e il corpo B è a sua volta in equilibrio termico con un altro corpo C, allora A è senz'altro in equilibrio termico con il corpo C.

1) Il primo principio della termodinamica si può enunciare così ΔU = Q – L oppure in modo più rigoroso in forma differenziale dU =δQ - δL. Q è la quantità di calore che viene ceduta al sistema ed L è il lavoro che invece compie il sistema stesso. U è detta energia interna del sistema ed è una funzione di stato, cioè dipende solo dallo stato in cui si trova il sistema e non dal percorso fatto. Q ed L non sono funzioni di stato. Nel caso in cui il lavoro compiuto sia solo di tipo meccanico può essere introdotta una nuova grandezza H chiamata entalpia H = U + pV, con p pressione e V volume.

2) Del secondo principio della termodinamica ne esistono varie enunciazioni classiche che sono logicamente equivalenti:
a) è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo.
b) è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato preveda che tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea sia interamente trasformato in lavoro.
c) non è possibile - nemmeno in linea di principio - realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%.
E’ a questo punto che viene introdotta una nuova grandezza termodinamica chiamata entropia che facilita l’enunciazione di questo principio:
d )una trasformazione che inizia e termina in stati di equilibrio si svolge sempre in una direzione tale da causare un aumento dell’entropia dell’insieme sistema più ambiente.
L’entropia si indica in genere con la lettera S. In forma differenziale abbiamo dS = dQ/dT

3) Il terzo principio della termodinamica è strettamente legato al secondo e si può enunciare in molti modi diversi, qui scegliamo descrizioni classiche:
a) non è possibile raggiungere lo zero assoluto tramite un numero finito di operazioni (ovvero di trasformazioni termodinamiche). Lo zero assoluto è pari a -273,15°C altrimenti indicato con 0°K dove il K sta per Kelvin.
b) nello stato a minima energia l'entropia ha un valore ben definito che dipende solo dalla degenerazione dello stato fondamentale.

Per chiarire meglio il concetto di entropia possiamo fare degli esempi

1) Si pensi di far cadere una gocciolina d'inchiostro in un bicchiere d'acqua: quello che si osserva immediatamente è che, invece di restare una goccia più o meno separata dal resto dell'ambiente (che sarebbe uno stato completamente ordinato), l'inchiostro inizia a diffondere e, in un certo tempo, si ottiene una miscela uniforme (stato completamente disordinato). È esperienza comune che, mentre questo processo avviene spontaneamente, il processo inverso (separare l'acqua e l'inchiostro) richiederebbe energia esterna.

2) Immaginiamo un profumo contenuto in una boccetta colma come un insieme di molecole puntiformi dotate di una certa velocità derivante dalla temperatura del profumo. Fino a quando la boccetta è tappata, ossia isolata dal resto dell'universo, le molecole saranno costrette a rimanere all'interno e non avendo spazio (la boccetta è colma) rimarranno abbastanza ordinate (stato liquido). Nel momento in cui la boccetta viene stappata le molecole della superficie del liquido inizieranno a staccarsi dalle altre ed urtando casualmente tra di loro e contro le pareti della boccetta usciranno da questa disperdendosi all'esterno (evaporazione). Dopo un certo tempo tutte le molecole saranno uscite disperdendosi. Anche se casualmente qualche molecola rientrerà nella boccetta il sistema complessivo è ormai disordinato e l'energia termica che ha messo in moto il fenomeno è dispersa e quindi non più recuperabile.

Il calore è energia disordinata. L’energia può esistere senza disordine; per esempio un fucile che spara un proiettile è energia del tipo che viene chiamata energia cinetica. Quando il proiettile colpisce una lastra di acciaio e viene fermato, l’energia del suo moto viene trasferita nel moto casuale degli atomi che costituiscono il proiettile e la lastra. Questa energia disordinata si manifesta sotto forma di calore. L’energia si trasforma in calore tanto più rapidamente quanto più è disordinata. E’ vero che può esistere disordine senza energia. Gli atomi di uranio 235 e uranio 238 sono due isotopi mescolati a caso in pezzo di uranio ordinario ma questo disordine non da luogo ad energia. Dobbiamo però esprimerci quantitativamente e per specificare il calore occorrono due numeri: uno per misurare la quantità di energia, l’altro per misurare la quantità di disordine. La quantità di energia è misurata con un’unità pratica chiamata caloria, mentre la quantità di disordine è misurata in termini di un concetto matematico chiamato entropia.

L’entropia e l’universo: Assumendo che l'intero universo sia un sistema isolato - ovvero un sistema per il quale è impossibile scambiare materia ed energia con l'esterno - il primo ed il secondo principio della termodinamica possono essere riassunti da un'unica frase:

l'energia totale dell'universo è costante e l'entropia totale è in continuo aumento.

valida per qualsiasi sistema isolato.

In altre parole ciò significa che non solo non si può né creare né distruggere l'energia, ma nemmeno la si può completamente trasformare da una forma in un'altra senza che una parte venga dissipata sotto forma di calore.

Se per esempio si brucia un pezzo di carbone, la sua energia si conserva e si converte in energia contenuta nell'anidride carbonica, nell'anidride solforosa e negli altri residui di combustione oltre che naturalmente in forma di calore. Per quanto non si sia persa energia nel processo, sappiamo che non possiamo invertire il processo di combustione e ricreare dai suoi scarti il pezzo di carbone originale.

La spiegazione si trova nel secondo principio della termodinamica che può così essere parafrasato:

ogni volta che una certa quantità di energia viene convertita da uno stato ad un altro si ha una penalizzazione che consiste nella degradazione di una parte dell'energia stessa in forma di calore, in particolare questa parte non sarà più utilizzabile per produrre lavoro.

Lo stato in cui l'entropia raggiunge il massimo livello e non vi è più energia libera disponibile per compiere ulteriore lavoro è detto stato di equilibrio. Per l'intero universo concepito come sistema isolato ciò significa che la progressiva conversione di lavoro in calore (per il principio di aumento dell'entropia totale), a fronte di una massa dell'universo finita, porterà infine ad uno stato in cui l'intero universo si troverà in condizioni di temperatura uniforme; la cosiddetta morte termica dell'Universo. Prima del Big Bang è invece ragionevole pensare che l’entropia dell’Universo fosse zero, anche se essendo una singolarità dello spazio tempo (cioè un punto in cui le leggi della fisica non sono più valide) non si può affermare niente di certo.

L'entropia caratterizza il verso di qualunque trasformazione reale come trasformazione irreversibile: infatti anche tornando da uno stato finale a uno identico allo stato iniziale (per temperatura, volume, pressione o altri parametri, come continuamente avviene nei cicli di una centrale) almeno una variabile fisica differirebbe dal punto da cui si è partiti, l'entropia (che inevitabilmente aumenta).

Ogni trasformazione reale è una trasformazione irreversibile perché l'entropia aumenta; l'ipotesi di idealità equivale appunto all'ipotesi di una variazione d'entropia nulla.

Si può concludere che il lavoro meccanico e il calore sono sì due forme diverse di energia in transito, ma il lavoro è una forma nobile, sfruttabile a piacere, mentre il calore è energia con qualità inferiore. Quando vogliamo utilizzarlo siamo obbligati a «cambiarlo» in lavoro, con uno «scarto» che è inevitabile come se si trattasse del cambio di una moneta «debole» con una «forte» ci si rimette sempre.
Tutto questo si può interpretare in termini di ordine e di disordine. Il calore non è altro che trasferimento dell'agitazione delle molecole da un corpo a un altro. Scaldare un corpo corrisponde quindi ad aumentare la sua energia interna, cedendo energia cinetica disordinata a un numero enorme di corpi microscopici.
L'entropia è una grandezza che misura il grado di "disordine" di un sistema termodinamico. L’entropia totale dell'universo tende sempre ad aumentare. Questo non significa che il disordine aumenti ovunque, nei sistemi biologici per esempio, in alcuni casi tende a diminuire, come in un essere vivente che cresce, dove l'ordine tende ad aumentare, ma nello stesso tempo l'entropia dell'ambiente circostante aumenta, per cui il sistema complessivo (ambiente più essere vivente) vede sempre e comunque crescere il suo grado di disordine, anche perché poi anche nel corpo umano con il passare degli anni l'energia si degrada e l'entropia tende a cresce inevitabilmente.
I sistemi di produzione di energia che abbiamo portano tutti inevitabilmente ad un aumento dell’entropia. Il rendimento di una macchina termica per il secondo principio della termodinamica non può mai essere del 100%. Nelle automobili che adoperiamo quotidianamente questo rendimento è di poco superiore al 30%. Questo significa che ben il 70% se ne va sotto forma di calore dai tubi di scarico con conseguente aumento di entropia. Più la macchina termica è efficiente, minore è l’aumento di entropia. Esistono dei casi di produzione di energia che sfruttano l’aumento naturale di entropia del pianeta come l’energia eolica, quella solare e, sotto certi aspetti anche quella idroelettrica e geotermica. Bisogna pensare che quando si produce energia questa non è mai a bilancio zero, occorre quindi effettuare delle scelte individuali e collettive coerenti. Non possiamo lamentarci se aumenta la bolletta dell’enel e contemporaneamente rifiutarci di fare scelte per farla calare. D’altra parte possiamo avere energia a prezzi bassi, per esempio usando l’energia nucleare, ma allora dovremmo essere consapevoli delle difficoltà di stoccaggio delle scorie radioattive che comporta. Allo stato della tecnologia personalmente sono contrario ma non bisogna affrontare i problemi in modo ideologico e se in futuro si sviluppassero tecnologie adeguate sarebbe da stolti non utilizzarle; penso soprattutto all’energia che potrebbe derivare dalla fusione nucleare anche se ormai sono decenni che la ricerca in questo settore segna il passo.