[0:01]Nel 1824 un ingegnere francese che si occupava di macchine a vapore, fece un'analisi dettagliata del processo al fine di misurarne l'efficienza. Sadi Carnot puntò l'attenzione sulle trasformazioni di energia e calore che avvenivano all'interno di un ciclo completo della macchina a vapore. Si accorse che si poteva definire una quantità massima di lavoro che una macchina a vapore poteva realizzare. E fin qui, il punto è che questa quantità dipendeva soltanto dalla temperatura più alta e da quella più bassa tra cui si compiva il ciclo completo. E basta. Carnot non lo sapeva ma stava anticipando un concetto che solo qualche decennio più tardi avrebbe messo l'umanità di fronte a un'evidenza a dir poco inquietante. Questo meccanismo perverso che stava venendo alla luce non aveva ancora un nome. Nel 1864 Rudolf Clausius, partendo dal fatto che in greco dentro si dice EN e trasformazione si dice TROPE. Clausius, dicevo, pensò bene di chiamarlo entropia. Ed era un nome appropriato perché l'entropia ci avrebbe trasformato tutti, dentro, proprio.
[1:19]L'entropia è un concetto tanto affascinante quanto complesso. Per capirlo, dovremo mettere molta carne al fuoco. Avrete forse a un certo punto la sensazione di perdervi, ma alla fine il cerchio si chiuderà, speriamo. Abbiate fiducia. Saranno tre puntate. Si parte. Il mondo in cui viviamo è regolato in ogni suo istante dalle leggi della termodinamica. Non saperle è un delitto. Non esageriamo.
[1:52]Partiamo con qualche definizione elementare e al tempo stesso fondamentale. Con la parola termodinamica oggi si indica genericamente lo studio delle trasformazioni di energia nelle sue varie forme. Per parlarne dobbiamo definire un paio di cose facili facili: cosa è un sistema e cosa è un ambiente. Individuamo nello spazio una regione, ossia una quantità di materia finita. Questa regione, idealmente separata da ciò che la circonda, la chiamiamo sistema. Tutto ciò che è esterno e che eventualmente può influenzare il sistema, viene detto ambiente. Facile no? Per adesso queste due definizioni le teniamo lì e vedrete che ogni tanto salteranno fuori. Adesso siamo pronti. Si parla di termodinamica? Non ancora, prima dobbiamo perdere qualche minuto per rispondere a una domanda tutt'altro che banale. Cos'è l'energia?
[2:46]Alla metà dell'800 il concetto di energia non era così chiaro come lo intendiamo noi oggi. Anzi, era piuttosto fumoso. All'epoca la cosa meglio definita e usata dai fisici era la forza.
[3:06]Saranno gli studi sulla termodinamica, insieme ad altre scoperte, a mettere sul gradino più alto del podio delle grandezze fondamentali della fisica quella che oggi chiamiamo energia. L'energia è una proprietà di tutti i corpi, ma ha la caratteristica di non avere un'unica forma. Siamo abituati a vedere l'energia in vari modi, al punto che siamo stati obbligati a dare nomi diversi all'energia a seconda delle condizioni in cui si trova. Poi a fine video ci sarà un'ultima considerazione sull'energia che però adesso ci porterebbe fuori argomento, quindi è la fine video poi se volete vederla. Dicevamo, ci sono varie forme di energia. Parliamo di energia potenziale e il nome stesso ci suggerisce che è una sorta di energia che il corpo ha in potenza ed è dovuta al fatto che un oggetto si trova immerso in un campo gravitazionale. In questo caso dipende dalla massa, dall'altitudine dell'oggetto e dall'accelerazione del campo gravitazionale. Si parla di energia cinetica che è energia dovuta al movimento e che dipende dalla massa e dalla velocità dell'oggetto. Quando ci sono nel gioco delle forze, l'energia è lì dietro l'angolo e talvolta può prendere il nome delle forze a cui è legata come, ad esempio, l'energia magnetica. Ci sono altre forme di energia che ci sono familiari, ad esempio l'energia chimica associata al carburante, l'energia nucleare o la comunissima energia elettrica. Ma cos'è in fondo l'energia? Cosa accomuna tutte queste forme che abbiamo detto? Anche qui risalire all'etimologia della parola, che tanto per cambiare è greca, ci è utile. Energia significa capacità di agire che in fisica si traduce come capacità di compiere un lavoro. In fisica quando si parla di lavoro si intende il prodotto di una forza per uno spostamento. Anche il lavoro è una sorta di energia, non a caso ha la stessa unità di misura. Se infatti abbiamo dato nomi diversi alle varie energie abbiamo però almeno mantenuto la stessa unità di misura. L'energia si misura in joule, dando onore a James Prescott Joule, un grandissimo fisico inglese dell'800. Ora non è che un corpo possiede solo una forma di energia. La sua energia la si può trovare sotto varie forme e non solo, ma può cambiare forma e talvolta anche molto facilmente. Prendiamo un gatto che sta fermo sul tavolo, non ha energia cinetica, ma ha energia potenziale. Quando salta giù perde progressivamente energia potenziale perché si riduce la sua distanza dal suolo. Ma in compenso prende energia cinetica perché aumenta la sua velocità. Si è visto che la somma totale della sua energia resta costante. Potremmo dire che l'energia potenziale si è trasformata in energia cinetica. E quale materia abbiamo detto si occupa delle trasformazioni di energia? La termodinamica. Eccoci qua, finalmente.
[5:49]C'è un principio della termodinamica, il primo per l'esattezza, che dice una cosa, tutto sommato, semplice. L'energia in un sistema isolato dall'ambiente, sistema ambiente, adesso sappiamo cosa sono. L'energia dicevo, di un sistema isolato, si conserva. Cioè non si può creare e non si può distruggere. Ma un momento, quando il gatto tocca terra si ferma, quindi perde la sua energia cinetica. E la sua distanza dal suolo è nulla, quindi non ha più neanche energia potenziale. E se l'energia si conserva, allora dov'è finita? C'è un'altra forma di energia che in questo contesto ci interessa particolarmente. Perché, come vedremo, ha un dettaglio che la rende completamente diversa. Anche se apparentemente è una delle tante forme di energia. Spesso compare sotto il nome di energia termica. L'energia del gatto, una volta arrivato al suolo, si è trasformata in calore. A causa delle deformazioni avvenute al momento dell'arrivo a terra, il gatto ha aumentato la sua temperatura e anche il pavimento nel punto di appoggio delle zampe e in realtà un po' anche l'aria per effetto dell'attrito. A meno che il gatto non cada nel vuoto. Però bisognerebbe portarlo in una camera sotto vuoto e il gatto sotto vuoto avrebbe ben altri problemi. Vabbè, comunque non divaghiamo. È nell'aumento di temperatura di gatto, pavimento e aria che è finita l'energia, la quale, dunque, continua a conservarsi. È semplicemente diventata energia termica. E questo ci porta dritti verso i due protagonisti dell'affascinante mondo della termodinamica, temperatura e calore. La temperatura è facile, la misuriamo. È lo stato termico di un corpo. C'è la scala, la scala di temperatura. Le più conosciute scale di temperatura sono la scala Fahrenheit e la scala Celsius. Celsius ha come riferimenti la temperatura a cui il ghiaccio fonde e la temperatura a cui l'acqua evapora. Non era il contrario? Cosa? No, è che erano comparsi in sovraimpressione dei numeri invertiti. No, Celsius l'aveva fatta così, verrà invertita successivamente, un anno dopo la sua morte. E per noi oggi sono zero quando l'acqua ghiaccia e 100 quando l'acqua bolle. L'intervallo è stato poi diviso in 100 parti che sono, per l'appunto, i gradi Celsius. E la scala Fahrenheit? Daniel Fahrenheit è stato un celebre fisico che perse tragicamente i genitori a 15 anni per un avvelenamento da funghi. Viene inviato come apprendista ad Amsterdam e fin da subito, siamo agli inizi del 700, si appassiona di scienza e di termometri. Vabbè, ma questo lo distrae dai suoi incarichi di lavoro e lo mette nei guai. Ho capito, ma per fuggire dall'obbligo di imbarco su una nave olandese della compagnia delle Indie orientali scappa fra Germania e Danimarca e fa una serie di incontri con personaggi affascinanti. Diventa soffiatore di vetro, produce importanti strumenti meteorologici, alla fine si installa all'Aia. Passa pure in Inghilterra e lo eleggono membro della Royal Society. Certo, ma e non si è mai sposato. Piccola parentesi di gossip. Ma la scala Fahrenheit? Beh, Daniel Fahrenheit ha preso anche lui un riferimento base. E cosa ha preso? Siccome era nato ad Anzica si è detto come riferimento base, cosa prendo? Prendiamo la temperatura più fredda di quel rigido inverno che passai ad Anzica tra il 1708 e il 1709. Poi in realtà ha affinato la cosa e ha cercato di trovare la temperatura a cui ghiacciava l'acqua, no, una miscela di acqua e cloruro di ammonio. Ma perché? Vabbè, è l'altro riferimento? Perché ce ne vogliono due per fare una scala. Il riferimento, quello più alto ha preso la temperatura del sangue di un cavallo. Un cavallo. Ma un cavallo in particolare o a caso? A caso. Poi ovviamente tra questi due intervalli doveva dividere cioè fare la scala. Ho come la sensazione che non abbia diviso in 100 parti come uno sano di mente, vero? No, infatti. E, del resto, se prendi come riferimento la temperatura del sangue di un cavallo non stai benissimo. Fahrenheit divide l'intervallo trovato in 12 parti. Vabbè. Poi però si accorge che cosa? È che vengono troppo distanti l'uno dall'altra e quindi divide a sua volta lo spazio che c'è fra un grado e l'altro in un numero di parti uguali. 10? 8. Quindi questo divide i due estremi in 12 per 8 96 parti.
[10:29]Dicevamo che la temperatura è un numero che sta sostanzialmente a definire la capacità di un corpo di trasferire calore. Sembra un concetto facile, ma cadere in errore su questo tema è un attimo. Come le capre, per loro stare sulle pareti praticamente verticali è semplice, ma metti lo zoccolo nel posto sbagliato e Cosa c'entrano le capre adesso? No, è che stanno lì, sembrano bidimensionali. Il calore dicevamo, vediamo di mettere gli zoccoli nei punti giusti. Vedi che le capre basta. Inizialmente termodinamica stava a indicare la scienza del calore. Solo successivamente, quando ci si rese conto che il calore era un po' diverso da come si pensava, la parola cominciò a indicare, come abbiamo visto, lo studio delle trasformazioni dell'energia nelle sue varie forme. Perché il calore non lo si è definito da subito in modo esatto, come tutte le cose, si è dovuto procedere per gradi. Come la temperatura, procede per...
[11:32]Il calore è definito come l'energia scambiata in funzione della temperatura. Se non viene trasferita energia, non si parla di calore. Quindi non è molto logico parlare di calore contenuto in un corpo. Il calore si assorbe o si cede, si scambia, ma non si contiene. Ma un attimo, il calore è l'energia che un corpo scambia in funzione della temperatura. Sadi Carnot. Ricordate all'inizio del video, il lavoro della macchina a vapore dipendeva solo dalle temperature. Ci stiamo arrivando. Aiutiamoci con un esempio, perché è una cosa sottile questa e vale la pena sottolinearla. Se io scaldo un oggetto, gli trasferisco dell'energia e lo faccio tramite la differenza di temperatura che c'è tra l'oggetto e la sorgente di calore. Che avrà una temperatura più alta, perché sennò che sorgente di calore è? Metto a bollire l'acqua sulla fiamma, l'energia viene trasferita all'acqua perché la fiamma ha una temperatura maggiore dell'acqua. In realtà si trasferisce al padellino, che lo trasferisce all'acqua, ma non è questo il punto. Raffreddarlo è l'inverso, trasferisco parte dell'energia di un corpo mettendolo a contatto con un corpo più freddo, ad esempio lo metto in frigo. Lo so che detta così sembra una banalità, ma vedrete che nella prossima puntata questo ragionamento elementare apparirà in tutto il suo potere devastante. Sì, siamo arrivati alla fine di questo primo capitolo della serie sull'entropia, ma ci concediamo il lusso di un'ultima considerazione. Se l'energia si conserva sempre, allora perché sentiamo spesso parlare di problema energetico? Si dice che dobbiamo risparmiarla, non consumarla. Che senso ha? Abbiamo un bellissimo principio che dice che si conserva. In realtà il vero problema non è l'energia. È l'entropia.
[13:17]Con la prossima puntata andremo diretti alla definizione di entropia per scoprire che non c'è una definizione di entropia. Ce ne sono tante e ognuna ha qualcosa di interessante da raccontarci. Ci vediamo con la prossima puntata. Nel frattempo, se volete aiutare il canale a sopravvivere, come sapete, oltre a iscrivervi, clicca la campanella, commentare, condividere, insomma, le solite cose che si dicono alla fine del video, potete con una donazione alla nostra associazione portarvi a casa il libro a quattro zampe nel cosmo e il CD Materia Oscura corpi celesti e anche altre cose. Seguite questo link come dei segugi. No, era per per dire.
[13:53]Alla prossima. Ah, già, il discorso sulle sull'energia, il discorso sull'energia. Siamo in un'epoca in cui si sente spesso parlare di energia a sproposito. Quando sentiamo frasi del tipo: ah, qui c'è una bella energia, oppure ah, siamo connessi con l'energia dell'universo. Bisogna ricordarsi che non si sta parlando di energia in senso scientifico, ma di aspetti legati alla suggestione che certi luoghi o certi fatti esercitano sulle persone.
[14:25]Intendiamoci, nell'utilizzo della parola energia fuori dal contesto fisico non c'è nulla di male. È una parola che si presta ad assumere valenze diverse, basta riconoscerlo. Ciò che è male è quando si cerca di utilizzare le scoperte scientifiche per validare o dare un sapore più concreto a idee molto aleatorie e fittizie che appartengono ad altri mondi che scientifici non sono. Il fatto che nella massa sia contenuta dell'energia, ad esempio, non è affatto, come talvolta si sente dire, la dimostrazione che certi pensatori orientali migliaia di anni fa avevano ragione perché parlavano dell'energia contenuta in un corpo. E da lì il discorso spesso prosegue sostenendo che Einstein non avrebbe scoperto nient'altro che cose già dette, scritte in sacri testi. Se io affermo che all'interno della massa è contenuta un'energia senza dare una spiegazione valida e senza fare esperimenti in grado di dimostrarlo non sto dicendo nulla di importante. Se poi 2000 anni dopo qualcuno lo dimostra, io non sono stato un veggente o uno che aveva capito tutto in anticipo. Perché non ho dimostrato di averlo capito, ho solo detto una cosa senza sapere esattamente cosa significasse. Ogni tanto qualcuno fa sei al superenalotto. Nessuno di noi dirà mai che è un veggente o che aveva capito tutto in anticipo. Diremo soltanto che è stato fortunato.
