WEBVTT 1 00:00:06.969 --> 00:00:10.589 Nel 1824 un ingegnere francese che si occupava di macchine a 2 00:00:10.609 --> 00:00:15.789 vapore fece un'analisi dettagliata del processo al fine di migliorarne l'efficienza. 3 00:00:16.390 --> 00:00:20.870 Si chiamava Sadi Carnot e puntò l'attenzione sulle trasformazioni di 4 00:00:21.070 --> 00:00:25.070 energia e calore che avvenivano all'interno di un ciclo completo. 5 00:00:25.609 --> 00:00:28.600 Della macchina a vapore ovviamente. Si accorse che si poteva 6 00:00:28.660 --> 00:00:31.960 definire una quantità massima di lavoro che una macchina a 7 00:00:31.980 --> 00:00:35.979 vapore poteva realizzare. E fin qui, vabbè. Il punto era 8 00:00:36.039 --> 00:00:41.350 che questa quantità dipendeva soltanto dalla temperatura più alta e 9 00:00:41.369 --> 00:00:45.130 da quella più bassa tra cui si compiva il ciclo completo. 10 00:00:45.929 --> 00:00:50.259 E basta. Carnot non lo sapeva, ma stava anticipando un 11 00:00:50.310 --> 00:00:54.079 concetto che solo qualche decennio più tardi avrebbe messo l'umanità 12 00:00:54.500 --> 00:00:59.219 di fronte a un'evidenza a dir poco inquietante. Questo meccanismo 13 00:00:59.280 --> 00:01:02.320 perverso che stava venendo alla luce non aveva ancora un nome. 14 00:01:03.179 --> 00:01:08.920 Quarant'anni dopo, nel 1864, Rudolf Clausius, partendo dal fatto che in 15 00:01:08.959 --> 00:01:13.480 greco dentro si dice en e trasformazione si dice trope, 16 00:01:14.340 --> 00:01:19.609 pensò bene di chiamarlo entropia. Ed era un nome appropriato, 17 00:01:19.950 --> 00:01:30.200 perché l'entropia ci avrebbe trasformato tutti, da dentro proprio. E 18 00:01:30.260 --> 00:01:33.579 come vedete lo dicevano anche i Litfiba. L'entropia è un 19 00:01:33.609 --> 00:01:37.840 concetto tanto affascinante quanto complesso. Per capirlo dovremo mettere molta 20 00:01:37.879 --> 00:01:41.719 carne al fuoco. Saranno tre puntate, avrete forse a un 21 00:01:41.760 --> 00:01:44.700 certo punto la sensazione di perdervi, ma alla fine il 22 00:01:44.760 --> 00:01:49.099 cerchio si chiuderà. Abbiate fiducia. Si chiuderà, insomma, speriamo che 23 00:01:49.140 --> 00:01:52.120 si chiuda. Io ci provo. Il mondo che noi viviamo 24 00:01:52.269 --> 00:01:55.549 è regolato in ogni suo istante dalle leggi della termodinamica 25 00:01:56.109 --> 00:01:58.629 e non foss'altro per questo è il caso di avere 26 00:01:58.870 --> 00:02:03.030 un'idea di cosa sia. Partiamo da due definizioni elementari e 27 00:02:03.129 --> 00:02:07.750 al tempo stesso fondamentali. Con la parola termodinamica oggi si 28 00:02:07.790 --> 00:02:12.849 indica genericamente lo studio delle trasformazioni dell'energia nelle sue varie forme. 29 00:02:13.409 --> 00:02:16.310 Per parlarne dobbiamo definire un paio di cose facili facili. 30 00:02:16.789 --> 00:02:21.930 Cosa è un sistema e cosa è un ambiente? Individuiamo 31 00:02:21.969 --> 00:02:25.060 nello spazio una regione, ossia una quantità di materia finita. 32 00:02:25.500 --> 00:02:28.360 Questa regione, idealmente separata da ciò che la circonda, la 33 00:02:28.439 --> 00:02:33.259 chiamiamo sistema. Tutto ciò che è esterno e che eventualmente 34 00:02:33.340 --> 00:02:38.319 può influenzare il sistema viene detto ambiente. Facile, no? Per 35 00:02:38.340 --> 00:02:41.090 adesso queste due definizioni le teniamo lì e vedrete che 36 00:02:41.330 --> 00:02:45.189 ogni tanto salteranno fuori. Ora siamo pronti. Si parla di termodinamica? 37 00:02:45.550 --> 00:02:49.650 Non ancora. Prima dobbiamo spendere qualche minuto per rispondere a 38 00:02:49.689 --> 00:03:05.710 una domanda tutt'altro che banale. Cosa è l'energia? Alla metà 39 00:03:05.729 --> 00:03:09.870 dell'Ottocento il concetto di energia non era così chiaro, almeno 40 00:03:09.930 --> 00:03:12.210 non come lo intendiamo noi oggi, anche se pure oggi 41 00:03:12.250 --> 00:03:14.729 abbiamo i nostri problemi. In merito a questo vi consiglio 42 00:03:14.830 --> 00:03:17.189 il video sul mio canale YouTube dal titolo Nessuno sa 43 00:03:17.310 --> 00:03:20.110 cosa è l'energia, e già il titolo la dice lunga. 44 00:03:20.469 --> 00:03:23.560 In ogni caso, si diceva, alla metà dell'Ottocento il concetto 45 00:03:23.590 --> 00:03:27.300 di energia era piuttosto fumoso. All'epoca la cosa meglio definita 46 00:03:27.419 --> 00:03:29.900 e usata dai fisici era la forza. Tu devi sentire 47 00:03:29.919 --> 00:03:36.069 la forza intorno a te, qui, fra te e me 48 00:03:36.110 --> 00:03:41.610 l'albero la pietra saranno gli studi sulla termodinamica uniti ad 49 00:03:41.650 --> 00:03:43.969 altre scoperte a mettere sul gradino più alto del podio 50 00:03:43.990 --> 00:03:48.430 delle grandezze fisiche fondamentali quella che oggi chiamiamo energia l'energia 51 00:03:48.629 --> 00:03:51.250 è una proprietà di tutti i corpi ma ha la 52 00:03:51.289 --> 00:03:55.639 caratteristica di non avere un'unica forma siamo abituati a vedere 53 00:03:55.759 --> 00:03:58.319 l'energia in vari modi al punto che siamo stati obbligati 54 00:03:58.360 --> 00:04:01.500 a dare nomi diversi all'energia a seconda delle condizioni in 55 00:04:01.539 --> 00:04:05.030 cui si trova Parliamo di energia potenziale e il nome 56 00:04:05.099 --> 00:04:08.520 stesso ci suggerisce che è una sorta di energia che 57 00:04:08.580 --> 00:04:11.759 il corpo ha in potenza ed è dovuta al fatto 58 00:04:11.800 --> 00:04:14.689 che un oggetto si trova immerso in un campo gravitazionale. 59 00:04:15.270 --> 00:04:19.850 In questo caso dipende dalla massa, dall'altitudine dell'oggetto e dalla 60 00:04:19.990 --> 00:04:23.470 accelerazione del campo gravitazionale. Si parla poi per esempio di 61 00:04:23.509 --> 00:04:27.230 energia cinetica, che è energia dovuta al movimento e che 62 00:04:27.250 --> 00:04:30.610 dipende dalla massa e dalla velocità dell'oggetto. Diciamo poi che 63 00:04:30.670 --> 00:04:33.540 quando ci sono in gioco in genere delle forze, l'energia 64 00:04:33.649 --> 00:04:36.740 è lì dietro l'angolo e talvolta può prendere proprio il 65 00:04:36.839 --> 00:04:39.319 nome delle forze a cui è legata, come ad esempio 66 00:04:39.379 --> 00:04:43.439 l'energia magnetica o l'energia eolica. Ci sono poi altre forme 67 00:04:43.459 --> 00:04:46.319 di energia che ci sono familiari, come l'energia chimica associata 68 00:04:46.399 --> 00:04:51.040 al carburante, l'energia nucleare o la comunissima energia elettrica. Ma 69 00:04:51.560 --> 00:04:56.180 Cosa è in fondo l'energia? Cosa accomuna tutte queste forme 70 00:04:56.220 --> 00:05:06.750 che abbiamo detto? Anche qui risalire all'etimologia della parola, che 71 00:05:06.899 --> 00:05:11.050 tanto per cambiare è greca, ci è utile. Energia significa 72 00:05:11.410 --> 00:05:15.930 capacità di agire e in fisica questo si traduce nella 73 00:05:16.029 --> 00:05:20.300 capacità di compiere un lavoro. In fisica, quando si parla 74 00:05:20.339 --> 00:05:23.160 di lavoro, si intende il prodotto di una forza per 75 00:05:23.199 --> 00:05:27.160 uno spostamento. Anche il lavoro è una sorta di energia, 76 00:05:27.240 --> 00:05:29.560 non a caso ha la stessa unità di misura. Se 77 00:05:29.600 --> 00:05:32.779 infatti abbiamo dato nomi diversi, abbiamo però almeno mantenuto la 78 00:05:32.839 --> 00:05:37.100 stessa unità di misura. L'energia si misura in Joule, dando 79 00:05:37.120 --> 00:05:42.300 onore a James Prescott Joule, un grandissimo fisico inglese dell'Ottocento. Ora, 80 00:05:42.540 --> 00:05:46.759 non è che un corpo possiede solo una forma di energia. 81 00:05:47.449 --> 00:05:49.410 La sua energia non solo la si può trovare sotto 82 00:05:49.449 --> 00:05:53.050 varie forme, ma può cambiare forma, talvolta anche molto facilmente. 83 00:05:53.850 --> 00:05:58.269 Prendiamo Gualtiero che sta fermo sul tavolo. Non ha energia cinetica, 84 00:05:58.470 --> 00:06:02.930 perché è fermo, ma ha energia potenziale. Quando salta giù 85 00:06:02.949 --> 00:06:07.350 dal tavolo perde progressivamente energia potenziale perché si riduce la 86 00:06:07.389 --> 00:06:10.990 sua distanza dal suolo, ma in compenso prende energia cinetica 87 00:06:11.050 --> 00:06:13.870 perché aumenta la sua velocità. Si è visto che la 88 00:06:13.910 --> 00:06:18.079 somma totale della sua energia resta costante. Potremmo dire che 89 00:06:18.199 --> 00:06:23.649 l'energia potenziale si è trasformata in energia cinetica. E quale materia, 90 00:06:23.769 --> 00:06:28.509 abbiamo detto, si occupa delle trasformazioni di energia? La termodinamica. 91 00:06:28.850 --> 00:06:36.949 Ed eccoci qua, finalmente. C'è un principio della termodinamica, il 92 00:06:37.009 --> 00:06:40.670 primo per l'esattezza, che dice una cosa tutto sommato semplice. 93 00:06:41.269 --> 00:06:45.069 L'energia in un sistema isolato dall'ambiente si conserva, non si 94 00:06:45.129 --> 00:06:48.790 può creare e non si può distruggere. Ma un momento, 95 00:06:48.810 --> 00:06:52.889 quando il gatto tocca terra, si ferma, quindi perde la 96 00:06:52.930 --> 00:06:54.889 sua energia cinetica e in più la sua distanza dal 97 00:06:54.930 --> 00:06:58.449 suolo è nulla, quindi non ha nemmeno più energia potenziale. 98 00:06:58.990 --> 00:07:01.959 Ma abbiamo detto che l'energia si conserva e dove è 99 00:07:02.000 --> 00:07:05.279 finita allora? C'è un'altra forma di energia che in questo 100 00:07:05.339 --> 00:07:08.959 contesto ci interessa particolarmente perché, come vedremo, ha un dettaglio 101 00:07:09.000 --> 00:07:12.319 che la rende completamente diversa, anche se apparentemente è una 102 00:07:12.339 --> 00:07:15.889 delle tante forme di energia. Spesso compare sotto il nome 103 00:07:16.029 --> 00:07:20.399 di energia. termica. L'energia del gatto precipitato dal tavolo al 104 00:07:20.540 --> 00:07:24.819 suolo si è trasformata in calore. A causa delle deformazioni 105 00:07:24.839 --> 00:07:27.579 avvenute al momento dell'arrivo a terra, il gatto ha infatti 106 00:07:27.740 --> 00:07:30.519 aumentato la sua temperatura e anche il pavimento nel punto 107 00:07:30.560 --> 00:07:32.810 di appoggio delle zampe e poi in realtà anche un 108 00:07:32.870 --> 00:07:35.550 po' l'aria per effetto dell'attrito, a meno che il gatto 109 00:07:35.589 --> 00:07:38.209 non cada nel vuoto. Però bisognerebbe portarlo in una camera 110 00:07:38.230 --> 00:07:40.870 sottovuoto e non è il caso perché il gatto sottovuoto 111 00:07:40.910 --> 00:07:43.430 avrebbe ben altri problemi, ma non divaghiamo che poi Gualtiero 112 00:07:43.449 --> 00:07:47.339 mi si spaventa. È nell'aumento di temperatura di gatto, pavimento 113 00:07:47.480 --> 00:07:50.480 e aria che è finita l'energia, la quale dunque continua 114 00:07:50.500 --> 00:07:55.879 a conservarsi. È semplicemente diventata energia termica. E questo ci 115 00:07:55.959 --> 00:08:00.740 porta dritti ai due protagonisti dell'affascinante mondo della termodinamica, ossia 116 00:08:01.139 --> 00:08:15.949 temperatura e calore. La temperatura è lo stato termico di 117 00:08:16.009 --> 00:08:19.379 un corpo. C'è la scala, la scala di temperatura, così 118 00:08:19.399 --> 00:08:20.720 come c'è la scala di Milano c'è anche la scala 119 00:08:20.759 --> 00:08:23.779 di temperatura. Le più conosciute scale di temperatura sono la 120 00:08:23.800 --> 00:08:28.519 scala Fahrenheit e la scala Celsius. Celsius ha come riferimenti 121 00:08:28.600 --> 00:08:31.430 la temperatura a cui il ghiaccio fonde, 100°C, e la 122 00:08:31.439 --> 00:08:34.309 temperatura a cui l'acqua evapora, 0°C. E se vi sembra 123 00:08:34.370 --> 00:08:37.080 che io abbia detto una castroneria... In effetti all'inizio era così, 124 00:08:37.279 --> 00:08:40.379 verrà invertita successivamente un anno dopo la sua morte, per 125 00:08:40.440 --> 00:08:43.509 cui noi oggi diciamo che è 0 quando l'acqua ghiaccia e 100 126 00:08:43.950 --> 00:08:47.570 quando l'acqua bolle. L'intervallo è stato poi diviso in 100 parti 127 00:08:47.610 --> 00:08:51.889 che sono per l'appunto i gradi Celsius. Veniamo alla scala Fahrenheit. 128 00:08:52.309 --> 00:08:55.070 Daniel Fahrenheit è stato un celebre fisico che perse tragicamente 129 00:08:55.090 --> 00:08:57.860 i genitori a 15 anni per un avvelenamento da funghi viene 130 00:08:57.919 --> 00:09:00.299 invitato come apprendista ad Amsterdam e fin da subito siamo 131 00:09:00.320 --> 00:09:02.179 agli inizi del settecento si appassiona di scienze e di 132 00:09:02.220 --> 00:09:04.720 termometri questo lo distrae dai suoi incarichi di lavoro e 133 00:09:04.759 --> 00:09:07.879 lo mette nei guai per fuggire dall'obbligo di imbarco su 134 00:09:07.899 --> 00:09:10.360 una nave olandese della compagnia delle indie occidentali scappa e 135 00:09:10.399 --> 00:09:13.350 gira fra Germania e Danimarca facendo incontri con personaggi affascinanti 136 00:09:13.789 --> 00:09:16.750 diventa soffrettore di vetro produce importanti strumenti meteorologici e si 137 00:09:16.769 --> 00:09:19.549 installa alla fine a Laia passa in Inghilterra e lo 138 00:09:19.570 --> 00:09:22.269 eleggono membro della Royal Society ti sei sfogato? Ah, e 139 00:09:22.309 --> 00:09:25.110 non si è mai sposato piccola parentesi di gossip. Ho capito, 140 00:09:25.149 --> 00:09:28.360 ma la scala Fahrenheit. Beh, Daniel Fahrenheit anche lui ha 141 00:09:28.419 --> 00:09:31.259 preso un riferimento base. E cosa ha preso? Siccome era 142 00:09:31.299 --> 00:09:34.419 nato ad Ansica si è detto, come riferimento basso cosa prendo? 143 00:09:34.460 --> 00:09:38.000 Ma prendiamo la temperatura più fredda registrata in quello rigido 144 00:09:38.039 --> 00:09:42.570 inverno che passai ad Ansica tra il 1708 e il 1709. Poi 145 00:09:42.590 --> 00:09:44.750 in realtà ha affinato la cosa e ha cercato di 146 00:09:44.769 --> 00:09:51.929 trovare la temperatura a cui ghiacciava l'acqua. No, una miscela 147 00:09:51.950 --> 00:09:53.110 di acqua e cloruro di ammonio. Ma perché? Vabbè, e 148 00:09:53.129 --> 00:09:55.730 l'altro riferimento? Perché ce ne vogliono due per fare la scala. 149 00:09:56.110 --> 00:09:58.809 Il riferimento, quello più alto per quello, ha preso la 150 00:09:58.929 --> 00:10:02.649 temperatura del sangue di un cavallo. Un cavallo? Eh, è 151 00:10:02.669 --> 00:10:07.840 andata così. Un cavallo in particolare o un cavallo a caso? Poi, ovviamente, 152 00:10:07.899 --> 00:10:10.440 fra questi due intervalli doveva dividere, cioè fare la scala. 153 00:10:10.460 --> 00:10:13.200 Ho come la sensazione che non l'abbia diviso in cento 154 00:10:13.279 --> 00:10:18.039 parti come uno sano di mente, vero? Eh, no. Del resto, 155 00:10:18.139 --> 00:10:20.960 se prendi come riferimento la temperatura del sangue di un cavallo, 156 00:10:21.210 --> 00:10:26.509 non stai benissimo. Fahrenheit divide l'intervallo trovato in dodici parti. Eh, vabbè, dai. 157 00:10:26.529 --> 00:10:29.929 Però poi si accorge che... Cosa ancora? Eh, vengono troppo 158 00:10:29.970 --> 00:10:32.340 distanti una dall'altra queste parti e quindi divide a sua 159 00:10:32.360 --> 00:10:36.919 volta un grado dall'altro in un numero di parti uguali. Dieci? No, otto. 160 00:10:37.360 --> 00:10:40.740 Quindi questo divide i due stremin, dodici per otto, novantasei parti. 161 00:10:41.159 --> 00:10:44.129 È andata così. Dicevamo che la temperatura è un numero 162 00:10:44.169 --> 00:10:47.059 che sta sostanzialmente a definire la capacità di un corpo 163 00:10:47.100 --> 00:10:52.000 di trasferire calore. Il calore, appunto, che sembra un concetto facile, 164 00:10:52.120 --> 00:10:54.659 ma su questo tema cadere in errore è un attimo. 165 00:10:54.980 --> 00:10:57.620 Come le capre. Per loro stare sulle pareti praticamente verticali 166 00:10:57.659 --> 00:11:04.000 è semplice, ma metti lo zoccolo nel posto sbagliato e... 167 00:11:04.159 --> 00:11:06.039 E che c'entrano le capre? Boh, ogni tanto si perde 168 00:11:06.120 --> 00:11:10.899 questo qua. Inizialmente termodinamica stava a indicare la scienza del calore. 169 00:11:11.500 --> 00:11:14.240 Solo successivamente, quando ci si rese conto che il calore 170 00:11:14.539 --> 00:11:17.100 era un po' diverso da come si pensava, la parola 171 00:11:17.159 --> 00:11:19.799 cominciò a indicare, come abbiamo visto, più in generale lo 172 00:11:19.870 --> 00:11:24.389 studio delle trasformazioni dell'energia nelle sue varie forme. Perché il 173 00:11:24.429 --> 00:11:26.909 calore non lo si è definito da subito in modo esatto. 174 00:11:27.409 --> 00:11:31.250 Oggi il calore è definitivamente definito, potremmo dire, come l'energia 175 00:11:31.450 --> 00:11:37.250 scambiata in funzione della temperatura. Cioè, se non viene trasferita energia, 176 00:11:37.529 --> 00:11:40.980 non si parla di calore. Quindi non è molto logico 177 00:11:41.059 --> 00:11:44.440 parlare di calore contenuto in un corpo. Il calore si 178 00:11:44.480 --> 00:11:47.799 assorbe o si cede. In pratica si scambia, ma non 179 00:11:47.919 --> 00:11:51.919 si contiene. Ma un attimo. Il calore è l'energia che 180 00:11:51.980 --> 00:11:57.809 un corpo scambia in funzione della temperatura. Sadi Carnot. Ricordate 181 00:11:57.909 --> 00:12:02.049 l'inizio del podcast. Il lavoro della macchina a vapore dipendeva 182 00:12:02.230 --> 00:12:07.870 solo dalle temperature. Ci stiamo arrivando. Aiutiamoci con un esempio 183 00:12:07.909 --> 00:12:11.250 perché è una cosa sottile questa e vale la pena sottolinearla. 184 00:12:11.669 --> 00:12:23.399 Stacchetto per prendere la rincorsa e via. Se io scaldo 185 00:12:23.440 --> 00:12:26.399 un oggetto, gli trasferisco dell'energia e lo faccio tramite la 186 00:12:26.450 --> 00:12:29.570 differenza di temperatura che c'è tra l'oggetto e la sorgente 187 00:12:29.610 --> 00:12:31.990 di calore, che avrà una temperatura più alta, se no 188 00:12:32.090 --> 00:12:34.539 che sorgente di calore è? Ad esempio metto a bollire 189 00:12:34.700 --> 00:12:38.120 l'acqua sulla fiamma. L'energia viene trasferita all'acqua perché la fiamma 190 00:12:38.220 --> 00:12:41.600 ha una temperatura maggiore dell'acqua. In realtà la trasferisce al 191 00:12:41.620 --> 00:12:43.669 padellino che poi la trasferisce all'acqua ma non è questo 192 00:12:43.710 --> 00:12:47.710 il punto. Per raffreddare è l'inverso. Trasferisco parte della sua 193 00:12:47.809 --> 00:12:51.830 energia mettendolo a contatto con un corpo più freddo. Ad 194 00:12:51.870 --> 00:12:54.080 esempio lo metto in frigo e mi faccio un tè freddo. 195 00:12:54.710 --> 00:12:57.649 Lo so che detta così sembra una banalità, ma vedrete 196 00:12:57.730 --> 00:13:02.110 che nella prossima puntata questo ragionamento elementare apparirà in tutto 197 00:13:02.250 --> 00:13:09.830 il suo potere devastante. Sì, siamo arrivati alla fine di 198 00:13:09.870 --> 00:13:12.960 questo primo capitolo della serie sull'entropia, ma ci concediamo il 199 00:13:13.049 --> 00:13:19.159 lusso di un'ultima considerazione. Se l'energia si conserva sempre, allora 200 00:13:19.299 --> 00:13:24.399 perché sentiamo spesso parlare di problema energetico? Si dice che 201 00:13:24.440 --> 00:13:29.379 dobbiamo risparmiarla, non consumarla. Che senso ha? Abbiamo un bellissimo 202 00:13:29.419 --> 00:13:32.669 principio che dice che si conserva. In realtà il problema 203 00:13:33.269 --> 00:13:55.110 non è l'energia, è l'entropia. Non l'abbiamo ancora definita ma, 204 00:13:55.289 --> 00:13:57.210 come i più astuti e le più astute avranno capito, 205 00:13:57.450 --> 00:14:02.570 è strettamente connessa al calore. Il calore è un'energia diversa 206 00:14:02.610 --> 00:14:05.049 da tutte le altre ed è venuto il momento di parlarne, 207 00:14:05.429 --> 00:14:09.919 perché è diversa per un solo minuscolo dettaglio, che è 208 00:14:09.960 --> 00:14:13.559 quello che fa sì che l'universo sia fatto come lo vediamo, meglio, 209 00:14:13.899 --> 00:14:17.519 quello che fa sì che l'universo esista e quindi di 210 00:14:17.600 --> 00:14:21.379 conseguenza anche noi. È arrivato il momento, come direbbe Vinicio, 211 00:14:21.419 --> 00:14:22.360 di buttarci 212 00:14:22.440 --> 00:14:28.220 a piedi pari nella vasca del Campari. No, 213 00:14:28.559 --> 00:14:34.779 no, non la vasca del Campari. Nel secondo principio della termodinamica. 214 00:14:42.440 --> 00:14:45.799 Nella termodinamica ci sono tre celebri principi che sono stati 215 00:14:45.860 --> 00:14:49.929 scoperti simpaticamente in ordine sparso. Prima si è notato il secondo, 216 00:14:50.269 --> 00:14:53.320 dopo si è enunciato il primo, poi è arrivato il 217 00:14:53.399 --> 00:14:56.899 terzo e infine, dulcis in fundo, è stato scritto quello 218 00:14:57.019 --> 00:15:00.659 che viene chiamato principio zero. A confronto la saga di 219 00:15:00.700 --> 00:15:10.490 Star Wars è ordinata. Ma perché sono stati messi in quest'ordine? Beh, 220 00:15:10.529 --> 00:15:14.730 l'ordine con cui riconosciamo oggi rappresenta un ordine concettuale. In particolare, 221 00:15:14.850 --> 00:15:17.950 il primo principio sta a monte del secondo, anche se, 222 00:15:18.269 --> 00:15:20.509 al di là del principio zero, che è una definizione 223 00:15:20.549 --> 00:15:22.909 di equilibrio termico necessaria da un punto di vista formale, 224 00:15:23.389 --> 00:15:27.870 le tre celebri leggi della termodinamica trattano in fondo della 225 00:15:27.929 --> 00:15:32.809 stessa cosa e girano attorno allo stesso concetto. C'è un 226 00:15:32.850 --> 00:15:36.710 modo simpatico di annunciarle. La prima dice che non puoi vincere, 227 00:15:37.250 --> 00:15:41.190 la seconda che non puoi pareggiare, La terza, che non 228 00:15:41.230 --> 00:15:45.210 puoi non giocare. Per questo le tre leggi della termodinamica 229 00:15:45.429 --> 00:15:48.480 sono in fondo una sola legge che dice che siamo 230 00:15:48.509 --> 00:15:52.480 obbligati a giocare a una partita che perderemo. Ebbene no, 231 00:15:52.659 --> 00:16:01.049 non potremo mai cantare come i quindici. Un tempo, dopo 232 00:16:01.070 --> 00:16:04.529 aver inventato le macchine a vapore, fece Capolino un'idea, una 233 00:16:04.590 --> 00:16:09.379 sorta di sogno. Creare un moto perpetuo per dare propulsione 234 00:16:09.549 --> 00:16:13.039 a una nave. Occorreva solo riuscire ad assorbire il calore 235 00:16:13.080 --> 00:16:27.960 del mare e trasformarlo in energia propulsiva. Nella seconda metà dell'Ottocento, 236 00:16:28.059 --> 00:16:31.899 William Thompson, meglio noto come Lord Kelvin, smorza gli entusiasmi. 237 00:16:32.259 --> 00:16:35.200 Stando ai suoi studi, è impossibile estrarre calore da una 238 00:16:35.259 --> 00:16:40.490 sorgente a temperatura costante e convertirlo completamente in lavoro senza 239 00:16:40.529 --> 00:16:46.549 causare altri cambiamenti nell'ambiente circostante. È una sentenza. Non si 240 00:16:46.610 --> 00:16:52.210 può convertire completamente il calore in lavoro. Calore e lavoro 241 00:16:52.370 --> 00:16:56.639 si somigliano. Entrambi rappresentano un modo di trasferire energia. ma 242 00:16:56.679 --> 00:17:00.480 non sono equivalenti, nel senso che non possono scambiarsi completamente 243 00:17:00.559 --> 00:17:05.250 l'uno nell'altro. Questa considerazione è di fatto una precisa definizione 244 00:17:05.450 --> 00:17:09.589 del fenomeno che chiamiamo entropia. Teniamolo in sospeso un momento, 245 00:17:09.650 --> 00:17:13.170 poi ci torniamo. Sì, perché questa benedetta entropia, se è 246 00:17:13.210 --> 00:17:19.119 una grandezza fisica, come dire, ci avrà una formula. Ora, 247 00:17:19.200 --> 00:17:23.059 per chiudere il cerchio, torniamo a Carnot. Studiava quelle che 248 00:17:23.099 --> 00:17:27.579 si chiamano macchine reversibili. Una macchina reversibile è una macchina 249 00:17:27.700 --> 00:17:32.019 in cui abbiamo immesso del calore Q1 alla temperatura T1 250 00:17:32.680 --> 00:17:35.779 e dopo che il ciclo si svolge produce del lavoro 251 00:17:35.960 --> 00:17:38.259 che di solito viene indicato con la W che sta 252 00:17:38.319 --> 00:17:41.380 per work e alla fine cede il calore Q2 alla 253 00:17:41.420 --> 00:17:46.619 temperatura T2. Il fatto che sia reversibile implica che svolgere 254 00:17:46.759 --> 00:17:49.480 il ciclo in una direzione o nella direzione inversa è 255 00:17:49.680 --> 00:17:54.049 esattamente la stessa cosa. Carnot fa i suoi ragionamenti senza 256 00:17:54.089 --> 00:17:58.730 appoggiarsi ad alcuna legge di conservazione dell'energia. Dice che, se 257 00:17:58.769 --> 00:18:02.650 vogliamo ottenere del lavoro da una macchina, deve esserci una 258 00:18:02.819 --> 00:18:07.440 variazione di temperatura. E questo è intuitivo. Se voglio che 259 00:18:07.480 --> 00:18:11.819 il calore fluisca, deve esserci un dislivello di temperatura. Attenzione, 260 00:18:12.059 --> 00:18:14.799 è intuitivo ma non è scritto da nessuna parte. Poi 261 00:18:14.839 --> 00:18:18.210 torniamo anche a questo. Altra cosa fondamentale che si deduce 262 00:18:18.250 --> 00:18:22.089 dallo studio delle macchine reversibili è che alle medesime condizioni 263 00:18:22.130 --> 00:18:26.089 di temperatura nessuna macchina può compiere più lavoro di una 264 00:18:26.130 --> 00:18:31.380 macchina reversibile. La conclusione di Carnot è davvero brillante e inaspettata. 265 00:18:31.819 --> 00:18:34.980 In una macchina reversibile che assorbe un certo calore alla 266 00:18:35.019 --> 00:18:39.279 temperatura T1 e lo cede alla temperatura T2, il lavoro 267 00:18:39.380 --> 00:18:44.119 che si ottiene non dipende dalla struttura della macchina. Non 268 00:18:44.180 --> 00:18:47.119 a caso lo abbiamo detto all'inizio della prima puntata, ricordate? 269 00:18:47.599 --> 00:18:53.369 Dipende solo dalle temperature, T1 e T2. Quel lavoro è 270 00:18:53.670 --> 00:18:58.049 dunque una proprietà universale. Non solo, ma per quanto le 271 00:18:58.089 --> 00:19:01.009 conclusioni di Carnot siano dimostrabili con un ciclo che utilizza 272 00:19:01.049 --> 00:19:04.849 un gas perfetto, il risultato ci porta ad affermare che 273 00:19:04.910 --> 00:19:09.019 anche la sostanza che utilizziamo non conta. E questa è 274 00:19:09.079 --> 00:19:14.200 la vera grande regola della termodinamica. ossia che le proprietà 275 00:19:14.240 --> 00:19:18.519 di una sostanza sono limitate perché non posso costruire sostanze 276 00:19:18.779 --> 00:19:22.640 che mi permettano di avere più lavoro alle medesime temperature 277 00:19:22.839 --> 00:19:33.730 in un ciclo reversibile. Ci si era accorti dunque che 278 00:19:33.849 --> 00:19:39.269 temperatura e calore erano strettamente legati e soprattutto ciò che 279 00:19:39.289 --> 00:19:43.609 risultava dalle dimostrazioni era che restava costante il loro rapporto, 280 00:19:43.990 --> 00:19:47.039 ossia che in una macchina reversibile esisteva la relazione Q1 281 00:19:47.670 --> 00:19:51.259 fratto T1 uguale a Q2 fratto T2, cioè il rapporto 282 00:19:51.319 --> 00:19:54.519 fra calore e temperatura era sempre quello. Come disse Feynman 283 00:19:54.660 --> 00:19:58.279 in una celebre lezione al Caltech, questo è il centro 284 00:19:58.500 --> 00:20:02.180 dell'universo della termodinamica come sempre le formule che uso e 285 00:20:02.220 --> 00:20:05.059 che racconto a parole le trovate scritte nella descrizione al 286 00:20:05.119 --> 00:20:09.089 podcast se foste interessati o interessate ora torniamo noi quando 287 00:20:09.140 --> 00:20:13.150 si trova un rapporto che indipendentemente dai valori dei suoi 288 00:20:13.269 --> 00:20:18.150 elementi resta costante beh i fisici muoiono dalla voglia di 289 00:20:18.190 --> 00:20:20.150 dargli un nome perché sanno che quella cosa lì è 290 00:20:20.190 --> 00:20:24.569 importante e Il rapporto tra calore e temperatura prese per 291 00:20:24.609 --> 00:20:34.519 l'appunto il nome di entropia. L'entropia è una funzione di stato, 292 00:20:34.940 --> 00:20:40.619 ossia dipende soltanto dallo stato. Non dipende dal cammino percorso 293 00:20:40.900 --> 00:20:44.720 per arrivare a tale stato. In un ciclo reversibile non 294 00:20:44.819 --> 00:20:49.750 c'è alcuna variazione netta di entropia, ossia l'entropia resta costante. 295 00:20:50.380 --> 00:20:52.839 e lo si evince dalla formula della variazione di entropia. 296 00:20:52.960 --> 00:20:56.269 L'espressione è scritta matematicamente così, delta S, ossia la variazione 297 00:20:56.309 --> 00:21:00.009 di entropia, è uguale all'integrale che va da A a B, 298 00:21:00.170 --> 00:21:01.829 dove A è lo stato iniziale e B è lo 299 00:21:01.849 --> 00:21:05.430 stato finale, della variazione di calore rispetto alla temperatura. Si 300 00:21:05.450 --> 00:21:09.799 scrive dQ, dQ si pronuncia, fratto T, temperatura. Questa cosa 301 00:21:09.819 --> 00:21:12.960 che ho detto, che trovate scritta anche nella descrizione, è 302 00:21:13.059 --> 00:21:16.500 la differenza di entropia fra due differenti stati, lo stato 303 00:21:16.539 --> 00:21:19.809 A e lo stato B. Ma per definire l'entropia in 304 00:21:19.869 --> 00:21:24.470 modo assoluto bisognava poter valutare l'entropia per uno stato particolare, 305 00:21:24.539 --> 00:21:27.359 cioè il valore di uno stato particolare. Poi sulla base 306 00:21:27.420 --> 00:21:30.240 di quello si ottenevano tutti gli altri valori. Per un 307 00:21:30.259 --> 00:21:32.859 po' di tempo si pensò che l'entropia assoluta non volesse 308 00:21:32.900 --> 00:21:36.880 dire praticamente nulla, ma contassero solo le differenze di entropia 309 00:21:36.940 --> 00:21:39.910 tra uno stato e l'altro. Fin quando il chimico Walter 310 00:21:40.029 --> 00:21:43.670 Hermann Nerst non dimostrò quello che divenne noto come il 311 00:21:43.809 --> 00:21:47.859 terzo principio della termodinamica. che dice che l'entropia di qualsiasi 312 00:21:47.900 --> 00:21:53.200 oggetto allo zero assoluto è zero. Sapendo che a T 313 00:21:53.240 --> 00:21:56.420 uguale a zero Kelvin l'entropia è zero, e sapendo la 314 00:21:56.460 --> 00:21:59.589 formula per calcolare le differenze di entropia, possiamo ricavare l'entropia 315 00:21:59.710 --> 00:22:02.109 in tutti gli altri stati. Ma avevamo detto che il 316 00:22:02.150 --> 00:22:05.750 nome entropia era stato segnato da Rudolf Clausius. Cosa aveva 317 00:22:05.809 --> 00:22:08.609 notato lui per pensare di dargli addirittura un nuovo nome? 318 00:22:09.029 --> 00:22:12.650 La stessa cosa che aveva notato Thomson? Ma che? Tutt'altro! 319 00:22:13.420 --> 00:22:17.460 Clausius si basò sull'osservazione che in natura, in qualsiasi trasformazione 320 00:22:17.519 --> 00:22:21.150 che implica un trasferimento spontaneo di energia, il calore fluisce 321 00:22:21.190 --> 00:22:25.049 dal corpo caldo a quello freddo. Sembra ovvio, l'abbiamo detto 322 00:22:25.089 --> 00:22:27.970 poco fa, ma non lo è. Col denaro, per esempio, 323 00:22:28.009 --> 00:22:29.609 non è affatto scontato che chi ne ha di più 324 00:22:29.710 --> 00:22:31.250 lo dia a chi ne ha di meno. Se chi 325 00:22:31.289 --> 00:22:32.910 ha di più desse sempre a chi ha di meno, 326 00:22:32.970 --> 00:22:35.339 non ci sarebbero i ricchi e i poveri 327 00:22:40.240 --> 00:22:43.849 Perché allora col calore succede così? Beh, è ovviamente una 328 00:22:43.869 --> 00:22:47.890 questione fisica. Se prendo due corpi alla stessa temperatura, Carnot 329 00:22:48.109 --> 00:22:51.930 aveva visto che non scambiavano calore. Ma non è così ovvio. 330 00:22:52.710 --> 00:22:55.099 Perché non potrebbe essere che uno si scaldi a spese 331 00:22:55.130 --> 00:22:58.680 dell'altro che si raffredda? Oppure ancora, perché due corpi a 332 00:22:58.740 --> 00:23:02.980 temperature differenti messi a contatto tendono a raggiungere un equilibrio termico? 333 00:23:03.539 --> 00:23:06.160 Perché quello più caldo non diventa ancora più caldo e 334 00:23:06.220 --> 00:23:09.390 quello più freddo non diventa ancora più freddo? Oppure, perché 335 00:23:09.490 --> 00:23:13.039 non restano beatamente entrambi con la loro temperatura? In sostanza, 336 00:23:13.259 --> 00:23:18.099 perché il calore fluisce sempre dal corpo più caldo verso 337 00:23:18.259 --> 00:23:23.339 quello più freddo? Non lo si sapeva. Semplicemente si osservava 338 00:23:23.480 --> 00:23:27.880 che la natura funziona così. A partire da questa osservazione, 339 00:23:28.160 --> 00:23:33.220 Clausius enunciò un principio molto interessante. Disse, non è possibile 340 00:23:33.329 --> 00:23:37.490 realizzare una trasformazione nella quale il solo risultato sia il 341 00:23:37.509 --> 00:23:40.990 trasferimento di calore da un corpo più freddo a uno 342 00:23:41.089 --> 00:23:45.779 più caldo. Occhio, il solo risultato. È chiaro che io 343 00:23:45.819 --> 00:23:48.319 posso trasferire calore da un corpo freddo a uno caldo, 344 00:23:49.059 --> 00:23:52.920 ma devo fare qualcosa. Devo spendere del lavoro, devo sbattermi. 345 00:23:53.200 --> 00:23:55.660 Se no, non si riesce. È come avere un appuntamento 346 00:23:55.700 --> 00:23:58.059 con Scarlett Johansson. Cioè, non è che ti chiama lei. 347 00:23:58.619 --> 00:24:00.519 Devi darti da fare. Ed è per quello che io 348 00:24:00.539 --> 00:24:01.819 non ci sono mai riuscito, perché sono pigro. Guarda, non 349 00:24:01.839 --> 00:24:02.640 lo sai, quindi ti lascerò con il gioco 350 00:24:02.660 --> 00:24:09.779 questa volta. Vabbè, 351 00:24:09.900 --> 00:24:14.740 comunque, Clausius trova, anche lui, una sorta di assimmetria nel discorso. 352 00:24:15.240 --> 00:24:18.200 Cioè che il calore fluisce spontaneamente solo in una direzione, 353 00:24:18.700 --> 00:24:22.740 ma è una assimmetria completamente diversa rispetto a quella trovata 354 00:24:22.799 --> 00:24:26.779 da Thompson, che invece parlava di conversione di calore in lavoro. 355 00:24:27.720 --> 00:24:31.680 È una cosa strana. Perché diciamo che entrambi stanno definendo 356 00:24:31.740 --> 00:24:45.240 l'entropia se parlano di cose diverse? Per capirlo dobbiamo tornare all'energia. 357 00:24:45.279 --> 00:24:51.920 Nella scorsa puntata abbiamo visto varie forme di energia. Potenziale, cinetica, chimica, termica, nucleare, eolica. 358 00:24:52.460 --> 00:24:54.400 Ma per il discorso che ci accingiamo a fare adesso 359 00:24:54.500 --> 00:24:59.460 possiamo suddividere l'energia in due semplici categorie. Energia utile ed 360 00:24:59.500 --> 00:25:07.589 energia inutile. Le forme utili sono l'energia potenziale, cinetica, chimica, nucleare, eolica, tutte. Quasi. 361 00:25:08.049 --> 00:25:11.910 Ne manca una. Una sola. Quella termica. Che va messa 362 00:25:12.069 --> 00:25:15.039 nella lista delle energie inutili. Quindi non è che sia 363 00:25:15.059 --> 00:25:17.240 proprio una gran lista, diciamo, ce n'è uno. Andiamo a 364 00:25:17.259 --> 00:25:20.920 vedere cosa si intende per energia utile. Supponiamo di voler 365 00:25:20.980 --> 00:25:27.119 fornire a Gualtiero dell'energia. Diciamo 50.000 Joule. Potremmo metterlo a un'altezza 366 00:25:27.200 --> 00:25:29.759 di mille metri da terra. in quel caso gli forniremmo 367 00:25:29.900 --> 00:25:33.559 energia potenziale, oppure potremmo lanciarlo a una velocità di 140 metri 368 00:25:33.599 --> 00:25:36.680 al secondo e in questo caso gli forniremmo energia cinetica, 369 00:25:37.319 --> 00:25:41.289 oppure alzare la temperatura del suo corpo di 3 gradi, ossia 370 00:25:41.349 --> 00:25:45.730 fornirgli energia termica, oppure ancora rifornirlo di un etto di crocchette, 371 00:25:45.829 --> 00:25:47.789 che credo che per lui sia la soluzione più preferibile 372 00:25:47.970 --> 00:25:50.349 e nel nostro caso si chiama energia chimica. Ma il 373 00:25:50.390 --> 00:25:52.460 nocciolo del discorso sta nel fatto che le forme di 374 00:25:52.480 --> 00:25:56.539 energia di cui abbiamo detto non sono equivalenti. Aumentare la 375 00:25:56.579 --> 00:26:02.279 sua temperatura, ossia fornirgli questi 50.000 J tramite energia termica, non 376 00:26:02.319 --> 00:26:06.720 è la stessa cosa. L'energia utile è energia libera, è 377 00:26:06.779 --> 00:26:10.599 quella che possiamo utilizzare per fare del lavoro. Se vogliamo banalizzare, 378 00:26:10.660 --> 00:26:14.160 diciamo che questa energia consiste nell'esercitare una forza che sposta 379 00:26:14.299 --> 00:26:18.089 un oggetto. Prendiamo sempre Gualtiero che cade dal tavolo. Ipotizziamo 380 00:26:18.160 --> 00:26:21.980 cada su una catapulta. Se io metto un oggetto sulla catapulta, 381 00:26:22.039 --> 00:26:25.079 dall'altro lato rispetto a quello dove cade lui, posso farglielo spostare, 382 00:26:25.119 --> 00:26:27.029 cioè lui cade da una parte la catapulta, dall'altra parte 383 00:26:27.349 --> 00:26:30.829 sale l'oggetto, la classica catapulta appunto. In questo caso sfrutto 384 00:26:30.890 --> 00:26:34.289 la sua energia cinetica per compiere un lavoro, ossia sollevare 385 00:26:34.450 --> 00:26:39.119 un oggetto. In pratica sto utilizzando energia potenziale, gualtiero sul tavolo, 386 00:26:39.599 --> 00:26:42.849 la trasformo in energia cinetica, salta giù dal tavolo, e 387 00:26:42.910 --> 00:26:47.430 la trasformo in lavoro. Alza un oggetto. Mi è stata utile. 388 00:26:47.910 --> 00:26:49.890 Ovviamente se il mio scopo era far salire l'oggetto, è chiaro. 389 00:26:50.549 --> 00:26:53.880 Ma se io scaldo il gatto, l'oggetto non lo sposto. 390 00:26:54.660 --> 00:26:57.440 L'energia termica non sembra esserci molto utile in questo caso. 391 00:26:58.059 --> 00:27:01.940 Non posso neppure ritrasformare questa energia termica in potenziale e cinetica. 392 00:27:02.599 --> 00:27:07.339 In pratica l'energia termica è energia inutilizzabile. Per capirci, se 393 00:27:07.359 --> 00:27:10.779 scendete le scale seduti sulla ringhiera, alla fine avrete i 394 00:27:10.799 --> 00:27:13.660 glutei belli caldi. Ma non è che se vi scaldate 395 00:27:13.720 --> 00:27:19.049 le chiappe risalite le scale. Energia termica. Dunque, calore, ancora lui. 396 00:27:19.569 --> 00:27:22.809 Andiamo un pelo nel dettaglio. Cerchiamo di capire perché il 397 00:27:22.869 --> 00:27:36.599 calore è il brutto anatroccolo della nidiata delle energie. Il 398 00:27:36.660 --> 00:27:41.220 calore lo si associa spesso all'agitazione molecolare. Sappiamo che un 399 00:27:41.279 --> 00:27:44.400 corpo è tanto più caldo quanto più le molecole che 400 00:27:44.440 --> 00:27:49.039 lo compongono sono agitate. Questa agitazione è dunque un movimento, 401 00:27:49.220 --> 00:27:51.000