La legge dell’Entropia

La legge dell’Entropia

di Sergio Ragaini. Per capire se si può ringiovanire partiamo dal concetto di Entropia, affrontando un argomento difficile con esempi semplici

I processi, nel nostro organismo, dopo un certo momento, paiono portarci verso un progressivo deterioramento. Ma è proprio così? Non è possibile, in qualche modo, invertire questi processi, ritrovando una giovinezza fisica ormai perduta? Un concetto fisico, quello di Entropia, pare dirci di no. Tuttavia, forse, tutto questo si può aggirare. In questa prima parte getteremo le basi di quello che, poi, sarà un discorso più articolato, che forse aprirà nuove prospettive sulla vita.

Tutto, nel mondo che osserviamo, pare avere una sola direzione: dalla giovinezza alla vecchiaia. Gli esseri viventi attorno a noi nascono, crescono, si deteriorano e muoiono. Pare un qualcosa di ineluttabile. Ciò accade anche per le cose ciò che oggi è nuovo, tra solo qualche anno sarà destinato ad essere gettato via, magari per utilizzarne qualche singolo componente: tuttavia, l'insieme sarà impossibile da riutilizzare.

Si può invertire il processo di invecchiamento?
Quello che ora ci proponiamo di fare è scoprire se è sempre così. Se, quindi, in qualche modo, questi processi non si possano invertire, riportando, almeno sotto certe condizioni, ed entro certi limiti, le cose come stavano in passato.
Per molti sarebbe un sogno, un miraggio. Forse, però, questo miraggio, questa cosa che appare una chimera, una proiezione di eternità contro le cose stesse, potrebbe essere più vicino di quanto si possa pensare.

Prospettive e basi teoriche: Entropia e processi cellulari

Il calore fluisce sempre da un corpo a temperatura T1 maggiore ad uno a temperatura T2 minore. Q  indica la quantità di calore scambiato.

Quello che cercheremo di fare è comprendere i limiti e le prospettive che un'eventuale rigenerazione offrirebbe. Esplorandone, ovviamente, le fattive possibilità. O impossibilità.
Per poterlo fare occorre gettare delle basi teoriche, partendo dai fondamenti fisici dei processi che ci circondano. Per poter offrire, poi, uno sguardo disincantato, che cerchi di esplorare la reale fattibilità di un'eventuale inversione dei processi di invecchiamento, cercando di seguire un filo che ci porterà a viaggiare nella Fisica Moderna, che cambia le prospettive sulla realtà attorno a noi.

Il viaggio comincia da un concetto base della fisica: l'entropia, un termine che, per alcuni, può suonare come categorico, lapidario. Qualcosa che, in qualche modo, potrebbe apparire porre un limite molto forte a quella che è la possibilità di ritornare al punto di partenza, quando qualcosa accade, quando qualche trasformazione avviene.

In termini matematici, l'Entropia, o meglio la sua variazione, è il rapporto tra la quantità di calore fornita (o ceduta) e la temperatura. Così dice poco: una formula che ha le dimensioni, da un punto di vista fisico, di un calore specifico. Insomma: a un non addetto ai lavori non dice nulla. Tuttavia, questo concetto è l'espressione di qualcosa che determina l'evoluzione dell'Universo e la nostra. Ed esprime la possibilità o impossibilità di qualcosa.

Ordine e disordine molecolare
Ma cosa esprime questo concetto, che appare oscuro, ma che invece è estremamente chiaro? La risposta è semplice e difficile ad un tempo: esprime il grado di ordine e disordine molecolare di un corpo, di una sostanza, di qualsiasi cosa. Dice, insomma, quanto un corpo è ordinato o disordinato.
Questa definizione è molto chiara e può essere facilmente applicata anche nel macroscopico. Facendo un esempio, se abbiamo una casa ordinata, la possiamo facilmente mettere in disordine: basta che non ce ne curiamo per un po', che tiriamo fuori cose che non rimettiamo a posto e in breve tempo la casa sarà nel caos.

Dal caos all'ordine e viceversa

"Sisifo" (particolare di Inferi), di Luca Giordano.

Quindi se non ci curiamo di una cosa, ci sarà il caos più assoluto. Poi, però, per rimetterla a posto occorrerà uno sforzo. Sforzo che, verosimilmente, nel divenire dell'umanità non sarà più compiuto da un individuo (almeno, me lo auguro vivamente!), ma che, tuttavia, dovrà ancora essere compiuto da qualcuno o qualcosa, per rimettere a posto.
Un altro esempio: facciamo rotolare un sasso da una collina. Se non trova ostacoli, questo giungerà a valle facilmente. Poi, però, se vogliamo riportarlo verso l'alto, occorrerà compiere uno sforzo. Non importa se questo sforzo lo dovremo fare noi o una macchina, ma qualcuno dovrà farlo.
Quindi, ci sono azioni che potrebbero avvenire spontaneamente, ma che poi, per tornare al punto di partenza, vale a dire alle condizioni iniziali, richiedono un'azione, che non sarà senza sforzo, ma richiederà comunque un lavoro per essere compiuta.

Il lavoro per il passaggio di calore
Lo stesso avviene per il calore: spontaneamente, come insegna la termodinamica, è possibile solo un passaggio di calore da un corpo più caldo ad uno più freddo, finché non si sarà raggiunto l'equilibrio termico, vale a dire, i due corpi avranno la stessa temperatura. Per compiere il processo inverso, vale a dire portare calore da un corpo più freddo ad uno più caldo, occorre compiere un lavoro, che significa compiere un'azione. In questo caso, il mezzo che ci permette di fare ciò è una pompa di calore, struttura base del funzionamento dei condizionatori e dei frigoriferi. La bolletta che si paga per utilizzarli ci dice che è stato compiuto un ben preciso lavoro elettrico.

Trasformazioni possibili e...
Qui cominciamo a vedere, in maniera piuttosto semplice, che ci sono trasformazioni che non avvengono spontaneamente in senso inverso.
In questo caso, però, anche se compiendo un lavoro, il punto di partenza appare ancora raggiungibile. Se non si provocano rotture (e questo fatto sarà fondamentale), infatti, la casa in disordine potrà essere rimessa a posto e il calore riportato all'esterno o all'altro corpo. Quindi si tratta di trasformazioni che, comunque, anche se con un'azione, sono invertibili, e le condizioni di partenza si possono raggiungere.

Quando si genera calore è impossibile tornare indietro.

Tuttavia, alcune di queste trasformazioni impediscono qualsiasi ritorno alle condizioni di partenza. Ci sono dei momenti in cui si passa un “punto di non ritorno” che impedisce di riportare tutto alle condizioni iniziali.

Infatti, come si è appena visto, è vero che per riportare un sasso in cima ad una collina occorre uno sforzo, ma lo riportiamo comunque. Lo stesso per la casa in disordine: poi si può rassettare!
Esistono, però, come dicevo, trasformazioni in cui il ritorno indietro appare impossibile, perché qualcosa è cambiato in maniera definitiva nel corpo stesso.

Una trasformazione irreversibile
Supponiamo che, mentre prendiamo un bicchiere per bere, questo ci cada per terra. Se il bicchiere è di plastica infrangibile, al limite si sarà rovesciato il contenuto. E basterà pulire per riportare il tutto allo stato iniziale. Se, però, il bicchiere è di vetro, questo si romperà. A questo punto, la trasformazione sarà irreversibile. Lo sarà innanzitutto spontaneamente (non potremo vedere credo mai un bicchiere che torna sul tavolo con i cocci che si ricompongono!) e anche con un lavoro: il bicchiere non potrà mai tornare come prima.

Cosa, allora, discrimina qualcosa di reversibile, eventualmente con un'azione, da qualcosa di irreversibile? Vediamo di scoprirlo! Carlo Rovelli, noto fisico, diceva che, in questi casi, l'elemento che discrimina è il calore.

Il calore come discriminante importante

Il fisico Carlo Rovelli.

Dalla fisica sappiamo che esiste un'equivalenza tra lavoro meccanico ed energia termina. Questo si può toccare con mano, ad esempio, quando si frena bruscamente per scoprire che i pneumatici si sono scaldati. Ancora, se vediamo il funzionamento di una sega elettrica o meccanica, in una segheria, scopriamo che la ruota della sega si arroventa durante il processo di taglio.

In qualche modo, il calore è dato dal lavoro “dissipato”.

In una stufa elettrica, infatti, per produrre calore dobbiamo aumentare la resistenza elettrica. Questo vuol dire che dobbiamo porre un ostacolo al passaggio della corrente. Il calore è una discriminante importante per comprendere un processo di trasformazione. Carlo Rovelli faceva notare che, quando si sviluppa calore, è sancita l'irreversibilità: non si torna indietro.
Infatti, se si frena spesso, dopo un certo numero di chilometri, le gomme andranno cambiate. Infatti, il calore sarà comunque conseguenza dell'attrito che le gomme averanno con il terreno: se non ci fosse attrito, le gomme durerebbero praticamente in maniera illimitata (salvo la loro usura spontanea, ma questo è un altro discorso!).

Il calore è legato all'Entropia
Esistono, quindi, reazioni irreversibili. Il calore pare essere il punto di demarcazione tra reversibile e irreversibile: quando si produce calore, la trasformazione è irreversibile.
La combustione è un esempio: se si usa, ad esempio, benzina per muovere un'auto, poi questa benzina sarà irrecuperabile: è bruciata nell'aria (e l'inquinamento lo dice molto bene!).

Cicli termodinamici.
In ascissa (linea orizzontale) è indicata l'entropia, in ordinata (linea verticale) la temperatura.

Dedichiamoci ora a cercare una legge generale, che ci riporti all'Entropia di un sistema.
L'Entropia, come visto, e credo come si sia compreso, è il grado di disordine di un sistema.
Consideriamo ora un sistema che cambia come visto prima: ovviamente, il suo disordine aumenterà. Se, ad esempio, consideriamo un bicchiere rotto, le sue molecole saranno ovviamente più disordinate di quelle di un bicchiere intero.

Il calore è legato all'Entropia. Infatti, la formula della variazione di Entropia ha, al numeratore, una variazione di calore. Questo ci dice che l'Entropia varia quando varia il calore. Quando, quindi, si ha una produzione di calore.
Questo è fondamentale: se non si produce calore, l'Entropia non varia, mentre se il calore viene prodotto si ha una variazione di Entropia. Questo è fondamentale: quando viene prodotto calore, l'Entropia cambia, e in questo caso aumenta.

Non si può tornare indietro
Cosa significa, a questo punto, affermare che non si torna indietro, per dirla alla Rovelli? Significa che, in un sistema chiuso, l'Entropia è in aumento. Insomma: l'Entropia sale, ma non può scendere.
Quando, quindi, in una trasformazione viene prodotto calore, quindi varia l'Entropia, non si può tornare al punto di partenza. Né spontaneamente, né in qualche modo forzando la trasformazione. Quello che è perduto, non è recuperabile: il bicchiere è rotto, la benzina è bruciata, la legna è diventata cenere. Non è più possibile riavere il vecchio bicchiere, la vecchia benzina, la legna come era prima.

In termini fisici, tutto ciò ci permette di affermare una legge fondamentale: in un Sistema Chiuso l'Entropia è in aumento. Questo fatto del sistema chiuso è fondamentale: infatti, se apriamo, in qualche modo, il sistema, questo non vale più.

La freccia del tempo punta in una sola direzione
Dire che in un sistema chiuso l'Entropia è in aumento vuole a che dire, per dirla alla Stephen Hawking, che la “freccia del tempo” punta in una sola direzione. Cosa vuol dire questo? Tornando a quello che dice Rovelli, il tempo è relazione. Infatti, nell'equazione di Wheeler-DeWitt, della Meccanica Quantistica Relativistica (dal nome dei suoi ideatori), non compare la variabile tempo, e viene solo indicato come le grandezze variano “una rispetto all'altra”.
Credo che questo fatto sia fondamentale: il tempo è una variabile che esprime solo relazioni tra oggetti.

Il calore permette la vita sui pianeti
E forse esprime entropia: infatti, l'Entropia è quella variabile che ci dice quanto calore si produce in una trasformazione qualsiasi. Quando si produce calore, non si torna indietro. Anche questo è relazione.
Nell'Universo vi sono molte trasformazioni che non si possono invertire, proprio perché si sviluppa calore. Una stella brucia, sviluppando calore e permettendo la vita sui pianeti che attorno ad essa ruotano. Tuttavia, nel bruciare, “afferma” che non potrà più tornare allo stato di partenza. Infatti, il suo destino è finire in qualche modo, sia come nana bianca che come stella di neutroni che come buco nero: comunque di finire in qualche maniera il suo ciclo vitale.

Prima puntata - continua

Per saperne di più:
Per una definizione più “tecnica” di Entropia potete andare a:
http://www.sapere.it/sapere/strumenti/studiafacile/fisica/Calore-e-termodinamica/La-termodinamica/L-entropia.html

Anche all'indirizzo: http://scienzapertutti.infn.it/component/content/article?id=581:100-cosa-e-lentropia si trova una spiegazione globale interessante

Sul forum di “Matematicamente” viene espressa la relazione tra Entropia e Universo, in risposte mirate:
https://www.matematicamente.it/forum/entropia-universo-t92966.html

Qualche slide sulll'Entropia all'indirizzo:
http://personalpages.to.infn.it/~galeotti/Divulgazione/conferenze/universo_e_entropia.pdf

Dall'Università di Bologna, questo testo sul rapporto tra Entropia e vita:
http://www.istanze.unibo.it/oscar/vita/vita01.htm

Sull'Entropia dell'Universo si può vedere all'indirizzo:
http://lcalighieri.racine.ra.it/pescetti/ricerca_infinito_2004_05/somm_fisica/morte%20entropica.html

Dal Canale Youtube dell'Enciclopedia Treccani un interessante video di un minuto sull'Entropia:
https://www.youtube.com/watch?v=uqhq4dImJDQ

Sulla “Freccia del Tempo” potete leggere la dispensa di Gabriele Ghisellini dell'Istituto Nazionale di Astrofisica all'indirizzo: http://www.brera.inaf.it/universoinfiore/presentazioni/2015-16/time_arrow.pdf
Si tratta di slide piuttosto interessanti e credo facilmente comprensibili.

Sulla Freccia del tempo si può anche vedere all'indirizzo:
http://www.infinitoteatrodelcosmo.it/2016/01/01/2-la-freccia-del-tempo-lentropia-secondo-boltzmann/