Di recente, un team di ricercatori ha fatto notizia per un annuncio sbalorditivo: una svolta teorica che ha ampliato la nostra comprensione della prima legge della termodinamica. Ma per comprendere questo risultato, dobbiamo prima capire perché le leggi della termodinamica sono così straordinariamente importanti, critiche e limitate.
Le leggi così come le conosciamo iniziarono a prendere forma all’inizio del XIX secolo, quando i fisici cercarono di decifrare il funzionamento interno dei motori a vapore. Le leggi che quei primi scienziati scrissero erano empiriche, il che significa che non erano basate su una grande teoria dell’universo, ma su una fredda, dura verifica sperimentale. In altre parole, hanno scritto queste affermazioni perché, dopo anni di ripetuti esperimenti, hanno sempre visto che queste affermazioni erano vere.
La termodinamica è lo studio degli effetti del lavoro, del calore e dell’energia su un sistema; riguarda solo le risposte su larga scala di un sistema, che possiamo osservare ed esaminare attraverso esperimenti.
Oggi la fisica moderna ha una visione molto più fondamentale e sofisticata della termodinamica, una visione basata sulle proprietà statistiche di innumerevoli particelle microscopiche. Pertanto, ora abbiamo spiegazioni per la maggior parte di queste leggi, che valgono ancora oggi.
La prima legge della termodinamica: niente è gratis
L’energia non può essere né creata né distrutta in sistemi isolati. Questa è la conservazione dell’energia, e si erge come un fondamento di tutta la fisica. È un principio fondamentale che ci permette di spiegare quasi ogni aspetto dell’esistenza materiale. E la termodinamica non fa eccezione. La prima legge della termodinamica è solo un’espressione della conservazione dell’energia scritta per . . . bene, sistemi termodinamici.
Se esaminiamo un sistema, ad esempio l’aria all’interno della tua stanza, il cilindro del motore della tua auto, una nuvola di gas che circonda una stella appena nata, un reticolo cristallino in un esperimento di laboratorio, possiamo sommare tutta l’energia in quel sistema. Potrebbe esserci energia cinetica se l’intero sistema è in movimento, e potrebbe esserci anche energia potenziale (l’energia immagazzinata in un sistema come risultato della sua posizione). La termodinamica aggiunge una nuova quantità, chiamata energia interna; è l’energia intrensicamente posseduta dal sistema stesso.
La prima legge afferma che il calore e il lavoro sono gli unici modi per cambiare l’energia di un sistema isolato, e che l’energia interna di un sistema è l’unica “disponibile” per il lavoro utile. Ma la prima legge non è solo un’affermazione blanda, è anche un cavallo di battaglia: ci consente di calcolare l’efficienza del motore, tenere traccia del lavoro e in generale tenere una buona contabilità di tutti i dettagli di un sistema che stiamo cercando di capire.
La seconda legge: il caos regna sovrano
Se metto un bicchiere di ghiaccio sul bancone, la stanza non gela. Invece il ghiaccio si scioglie (fonde, per i puristi). Il calore si sposta sempre da oggetti più caldi a oggetti più freddi, e questa semplice osservazione costituisce la base della seconda legge della termodinamica.
Nella seconda legge incontriamo una nuova proprietà dei sistemi: l’entropia. L’entropia di un sistema è una misura del numero di modi diversi in cui i componenti microscopici interni di un sistema possono riorganizzarsi e lasciare tutto il resto uguale. Ad esempio, l’aria nella stanza in cui sei seduto ha molta energia, tanto che le molecole d’aria si muovono costantemente, si scontrano e si riorganizzano. Ma nonostante tutti questi cambiamenti microscopici senza fine, la stanza piena d’aria è ancora la stanza piena d’aria, con la stessa temperatura, pressione e volume. L’aria ha un’entropia relativamente alta, il che significa che ci sono molti modi in cui le molecole d’aria si riorganizzano senza che tu te ne accorga.
All’altra estremità dello spettro, un gruppo di atomi estremamente freddi in un solido non ha molta energia, e quindi questi atomi non possono muoversi così tanto. Senza molte opzioni disponibili, la loro entropia è bassa.
Secondo la seconda legge, l’entropia in un sistema chiuso aumenta sempre. Se metto in contatto un oggetto freddo con un oggetto caldo, i due troveranno una temperatura comune e l’entropia complessiva del nuovo sistema sarà maggiore della somma dell’entropia dei sistemi isolati. Poiché l’entropia è anche una misura del disordine, un altro modo per affermare la seconda legge è dire che il disordine nei sistemi isolati cresce con il tempo.
La terza legge: il fallimento non è un’opzione
L’ultima delle leggi della termodinamica ci parla di un’importante relazione tra entropia e temperatura. In particolare, la legge afferma che esiste una temperatura speciale, nota come zero assoluto, dove anche l’entropia è uguale a zero. Inoltre, la legge afferma che è impossibile portare un sistema fino allo zero assoluto.
Per capire la prima parte, immagina di avere un solido blocco di ghiaccio. Anche a temperature molto basse, le molecole d’acqua possono oscillare un po’. Dal momento che hanno alcune opzioni su dove essere pur mantenendo la loro identità di ghiaccio complessiva, l’entropia non è zero. Ma se raffreddassi il ghiaccio fino allo zero assoluto, le molecole si bloccherebbero in posizione senza alcuno spazio di manovra. Non ci sarebbero altri modi per riorganizzarle, perché sono bloccate nella loro posizione, e quindi anche l’entropia va a zero.
Questa parte della legge è essenziale perché l’entropia non è qualcosa che possiamo misurare direttamente; è solo una quantità che possiamo calcolare rispetto a una linea di base. Lo zero assoluto ci dà quella linea di base.
In un lontano futuro, l’universo “si avvicinerà” allo zero assoluto, ma non lo raggiungerà mai realmente. L’entropia continuerà a crescere man mano che la materia diventa sempre più disordinata e perde la capacità di compiere lavoro.
Ma se vogliamo portare un sistema allo zero assoluto, in realtà dobbiamo toccarlo. Interagisci con esso. Facci qualcosa. La terza legge ci dice che più un sistema si avvicina allo zero assoluto, più dobbiamo lavorare sodo per avvicinarlo ancora di più. Ogni volta che interagiamo con un sistema, lo destabilizziamo solo un po’, trasferendo solo una piccola parte di energia. E più bassa è l’energia del sistema, più relativamente maldestri diventano i nostri tentativi. Non c’è proprio modo di raggiungere lo zero assoluto.
La legge zero: iniziare da qualche parte
Decenni dopo la formulazione delle tre leggi della termodinamica, i fisici si resero conto che era necessario aggiungerne una quarta. Ma questo legge era così importante e così fondamentale che non potevano semplicemente metterla per ultima. Quindi è stata formulata la legge zero: se abbiamo due sistemi, e ciascuno di essi è in equilibrio con un terzo sistema, allora anche quei due sistemi sono in equilibrio tra loro.
A prima vista, la legge zero sembra banale contabilità nerd, ma in realtà è un’intuizione intelligente. Stabilisce il concetto di equilibrio: spiega che una cosa resta la stessa quando due sistemi sono in contatto e sono stabili tra loro. Poiché le leggi della termodinamica si occupano di sistemi in equilibrio, sembra piuttosto importante definire cosa sia. Inoltre, questa strategia ci consente di definire altre proprietà misurabili di un sistema, come la temperatura. Per misurare una temperatura, dobbiamo portare il nostro strumento di misura in equilibrio con il sistema che stiamo studiando; quando due sistemi sono in equilibrio, per definizione hanno la stessa temperatura.
Gli studi sui sistemi fuori equilibrio occupano oggi la maggior parte della ricerca sulla termodinamica. Ad esempio, mettendo da parte la legge zero, i fisici possono studiare strutture esotiche come i cristalli temporali (che sono schemi cristallini che si ripetono nel tempo), la formazione di fiocchi di neve, il ripiegamento delle proteine e il lavoro delle membrane nelle cellule.
