Il calore, così innato nella storia dell’uomo, così sconosciuto fino a due secoli fa. Quella del fuoco fu sicuramente la prima grande scoperta dell’uomo, una scoperta non scientifica ma un grande passo oppresso dell’uomo primitivo. Il calore è da sempre un concetto quasi intrinseco nella concezione dell’uomo, solo dal 1700 è stato materia vera di studio e di approfondimento. Ma cosa è il calore? Un fluido che scorre all’interno di oggetti a temperatura diversa prima dell’intuizione di Thompson e Joule, capirono che si tratti a essere invece di energia: stiamo parlando dei genitori della moderna termodinamica.
Lo studio del calore, come esso si trasmette, la sua capacità di trasformarsi in altre forme di energia, la maniera stessa in cui altera le altre proprietà dei corpi, la capacità di convertire e causare la variazione di stato di un corpo… Le sue infinite applicazioni: dai motori al frigorifero, da fonte di riscaldamento addirittura a fonte di raffreddamento.
Come sappiamo il calore è una forma di energia, e l’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma in continuazione. Questo afferma il primo principio della termodinamica. Ma cos’è l’energia, è una domanda cui è davvero facile rispondere? Sin da piccoli affondiamo le nostre esperienze con il calore, dal concetto di termosifone a quello dell’esplosione di una bomba, alla luce che riscalda, alla materia stessa che produce calore. L’energia di un oggetto e la sua capacità di creare lavoro, ossia di esercitare una forza producendo uno spostamento. Per dare un esempio proviamo a spingere un’auto in panne: stiamo producendo lavoro e spendendo energie, applicando la stessa forza per lo spostamento ottenuto che sarebbe avvenuta se l’auto non fosse stata guasta.
Il calore accelera gli atomi in quanto ne aumenta l’energia interna, che noi chiamiamo comunemente calore: la temperatura di un corpo è la nostra percezione dei movimenti delle sue particelle. Come vengono utilizzati questi movimenti microscopici per permettere ad un motore di grandi dimensioni di funzionare? La prima risposta che l’uomo ha dato, sicuramente la più abbozzata, riguardo al primo principio della termodinamica afferma il fatto che si possa produrre lavoro proprio grazie al calore, purché nello stesso processo l’energia non si crei e non si distrugga. Il primo principio della termodinamica lo ritroviamo dappertutto, anche nella dieta alimentare: dopo una bella abbuffata, l’energia chimica fornita dal cibo va smaltita facendo movimento, mentre in caso contrario si formano depositi di grasso, altra potenziale forma di energia. La caloria è un’unità di misura del calore, anche se è una vecchia unità di misura: si tratta del calore necessario a riscaldare 1 g di acqua da 14,5° centigradi a 15,5° centigradi. Mentre dal punto di vista energetico, la caloria è l’energia che serve a sollevare 4,186 chili di 1 metro in un secondo.
Quando si fornisce calore ad un oggetto, si aumenta la sua energia interna, ma non sempre questo ha l’effetto di aumentarne la temperatura: durante l’ebollizione a 100° centigradi, purché ci troviamo al livello del mare e quindi alla pressione di un’atmosfera, l’acqua si trasforma da liquido a gas.
Questo fenomeno si chiama transizione di fase ed è il momento tipico in cui fornire altro calore non serve ad altro che a fare evaporare l’acqua, ecco perché solitamente una volta raggiunto il punto di ebollizione, la fiamma della cucina viene abbassata, favorendo un risparmio energetico, quindi del gas.
Altre variabili hanno imposto agli scienziati di andare oltre il primo principio della termodinamica.
Il secondo principio della termodinamica
Perché non capita che il vapore ridiventi acqua in una pentola vuota cedendo calore all’ambiente? Perché si parla di dispersione di calore e non tutto il calore viene trasformato in energia? Perché parliamo di rendimento anche nell’epoca moderna, dove abbiamo a disposizione macchine ultra potenti che teoricamente permetterebbero all’uomo di avere lavoro con rendimento massimo?
All’inizio dell’ottocento si pensava ad una ragione puramente tecnica ma il moto perpetuo e l’entropia guastarono i piani di chi cercava di ottenere lavoro con il massimo del rendimento. Il secondo principio della termodinamica, infatti, nega il moto perpetuo e conferma l’entropia. Si tratta di un principio che ha avuto nella storia varie formulazioni, tutte utili per chiarire il concetto: ad esempio il calore che spontaneamente passa dal corpo più caldo al corpo più freddo, oppure l’impossibilità di trasformare il calore in lavoro, senza conseguenze intermedie, cioè passando da sorgente a prodotto. Un fiammifero che brucia, un bambino che cresce, sono processi unilaterali e soprattutto unidirezionali.
L’entropia riassume le leggi della fisica microscopica, il concetto che non tutte le leggi della meccanica e dell’elettrodinamica sono reversibili. Il fatto è che tutti gli oggetti macroscopici sono formati da una miriade di particelle microscopiche. In una goccia d’acqua, per esempio, si trovano miliardi di miliardi di molecole, a loro volta composte da miliardi di particelle elementari come elettroni e sotto particelle. Il disordine microscopico di un sistema, rendendo il processo irreversibile, è proprio il concetto del disordine interno e della dispersione che si rispecchia a livello macroscopico: abbiamo introdotto il concetto di entropia di un sistema isolato, che non scambia calore né lavoro con l’esterno. L’irreversibilità e spesso prodotta dal fenomeno dell’attrito.
Non dimentichiamo che la termodinamica è nata per rispondere alla pratica domanda della conversione del calore il lavoro: anche senza attrito è impossibile raggiungere l’efficienza del 100%. Ciò è stato dimostrato nel 1824 dallo scienziato francese Carnot, che immaginò un ciclo ideale a quattro fasi, nel quale un gas prende calore da una sorgente più calda e lo trasferisce ad una sorgente fredda compiendo del lavoro.
Due le conclusioni: la prima, che è impossibile trasformare tutto il calore in lavoro; seconda, che l’efficienza del ciclo dipende soltanto dalla differenza tra le temperature delle tue sorgenti. Il rendimento dei cicli reali, come quelli dei motori delle automobili, è ancora minore, soprattutto perché basato sulla conversione dell’energia: una parte del lavoro prodotto è infatti utilizzato per l’iniezione del carburante e per lo scarico. Il ciclo Diesel detto anche il Ciclo Otto delle macchine a benzina ha un’efficacia reale pari rispettivamente al 45% e 35-40%, contro un’esigenza teorica massima del 73%. Concludendo: il moto perpetuo è impossibile, anche se gli uffici brevetti di tutto il mondo continuano a ricevere progetti di macchine che secondo gli inventori potrebbero produrre più energia di quanta in realtà ne può produrre il sistema.
Può l’uomo arrivare allo zero assoluto? Il terzo principio della termodinamica
L’uomo dopo il secondo principio della termodinamica, ha subito sviluppato la necessità di un terzo principio per eliminare le difficoltà per portare l’efficienza al 100%. Egli è arrivato a tre decimiliardesimi di grado, ma mai allo zero assoluto. Cos’è lo zero assoluto? Un noto gruppo musicale direbbero i più simpatici. Abbiamo visto che la temperatura è una misura del movimento microscopico di atomi: più bassa è la temperatura, minore e il movimento. Ebbene, allo zero assoluto, -273,15°C, il movimento di atomi e molecole è al minimo consentito dalle leggi della meccanica quantistica.
Terzo principio della termodinamica: raggiungere lo zero assoluto è impossibile. Nel 1903, dopo aver definito i tre principi della termodinamica, gli scienziati dovettero fronteggiare l’esatta definizione di temperatura, un concetto che forse avrebbero dovuto definire correttamente sin dall’inizio. La temperatura è la quantità che caratterizza tutti gli oggetti in equilibrio termico, ossia senza trasferimenti di calore.
La moderna scala di misura, ossia il grado Celsius, risale al ’700. Celsius attribuì lo zero alla temperatura in cui il ghiaccio congela e 100 alla temperatura in cui l’acqua bolle, dividendo l’intervallo considerato in parti uguali e definendo il grado centigrado.
Il paradosso di Maxwell
Il paradosso di Maxwell è un famoso paradosso che violerebbe il secondo principio della termodinamica: immaginiamo due camere a contatto, supponiamo che ci sono indifferentemente molecole calde in una stanza e molecole fredde nell’altra stanza; se un diavoletto aprisse la porta per far passare le molecole dalla stanza fredda a quella più calda, il calore passerebbe da un corpo freddo a quello più caldo, pur lasciando il sistema inalterato. Violazione del secondo principio? No, perché per poter distinguere le molecole e dividerle si avrebbe bisogno di illuminarle (ad esempio l’invio di un fotone), cioè fornire loro energia così il sistema non è più alterato e il secondo principio della termodinamica è salvo.
