Riscaldamento profondo: il disordine dell’entropia

 

Che il mondo stia precipitando nel caos, è affermazione ormai comune fra le maggiori voci critiche del nostro pianeta. Parlando di società o di politica, questa dichiarazione potrebbe incontrare anche posizioni fortemente discordanti, ma se focalizziamo l’attenzione sulla scala temporale dell’universo, non c’è dubbio che l’ordine stia crollando. D’altronde è ciò che accade da sempre, dal Big Bang in poi.

In fisica, il valore del disordine di un sistema viene chiamato “entropia“. Tecnicamente è definita come la “la quantità di energia non disponibile per compiere lavoro”. Altri la chiamano la quantità di casualità o disordine in un sistema. In ogni caso, si tratta della stessa cosa.

La seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia di un sistema isolato non può diminuire. Dal momento che non può rimanere la stessa anche quando viene svolto un lavoro, ciò significa che l’entropia aumenta costantemente in un sistema chiuso. Poiché l’universo, almeno per definizione, è un sistema chiuso, ciò significa che la sua entropia deve essere in costante aumento. La tendenza al disordine appare inevitabile.

Un modo comune di presentare la legge è l’affermazione – apparentemente ovvia – che il calore fluisce naturalmente da una regione più calda a una più fredda. È possibile invertire questa situazione: i condizionatori funzionano sulla base del raffreddamento di uno spazio interno rispetto all’esterno dove viene scaricato il calore. Ma per farlo è necessario investire una grande quantità di energia. La connessione di questa osservazione con l’entropia non è immediatamente ovvia, ma inizia a diventare più chiara quando aggiungiamo l’altro lato della legge: che non tutto il calore di un sistema può essere convertito in lavoro utile in un processo ciclico. Nessun motore può essere efficiente al 100% nel convertire il calore in altre forme di energia.

Per un aereo, l’energia inizialmente concentrata nel carburante degli aerei finisce per dissiparsi in venti agitati, suoni e calore diffusi in vaste aree dell’atmosfera in modo pressoché invisibile. Con una stufa elettrica è lo stesso: l’energia utile organizzata nelle correnti elettriche viene dissipata e diffusa nel calore sulle pareti, per poi disperdersi nell’aria esterna. Sebbene la quantità di energia rimanga la stessa, essa si trasforma gradualmente in forme meno organizzate e meno utilizzabili. Il punto finale del processo energetico produce calore di scarto. E lo generiamo continuamente con tutto ciò che facciamo.

La connessione tra entropia e calore è sostanziale. Il calore è una forma di energia, costituita dai movimenti casuali e dalle collisioni delle molecole che rimbalzano l’una sull’altra su scala nanometrica. Gran parte dell’energia mondiale è legata al calore: più energia, più modi di diffonderla esternamente; e maggiori sono i modi di diffondere l’energia, maggiore è l’entropia.

La trasformazione dell’energia in calore è tra i processi più onnipresenti della fisica. Mentre le automobili percorrono le strade, i treni sfrecciano lungo le ferrovie, gli aerei attraversano i cieli e gli impianti industriali trasformano le materie prime in prodotti raffinati, l’energia viene trasformata in calore, termine scientifico per l’energia immagazzinata nei movimenti disorganizzati delle molecole a livello microscopico.

Anche se parlare di flussi di calore e di efficienza dei motori può sembrare astratto, la seconda legge della termodinamica è un modo per tradurre un concetto familiare in altri campi: nulla avviene gratuitamente! In un ipotetico universo in cui non valesse questa legge, sarebbe possibile eseguire un’operazione e ricavarne più energia di quanta se ne fosse spesa.

L’energia che ci raggiunge dal sole può essere usata per cercare di rendere più “ordinato” il sistema: le piante già lo fanno con la loro sintesi clorofilliana e i nostri pannelli solari stanno appena recuperando terreno. Tuttavia, da una prospettiva più ampia, qualsiasi progresso locale compiuto nella battaglia contro il disordine è più che superato dall’aumento di entropia prodotto dal Sole quando fonde le sue molecole per produrre calore. Alcune delle più illuminate menti della fisica hanno tentato innumerevoli volte di realizzare una vera macchina a moto perpetuo che non facesse affidamento sull’energia esterna, tuttavia è impossibile infrangere la seconda legge della termodinamica.

Il fisico Arthur Eddington, nel secolo scorso, mise in guardia i suoi studenti:  “La legge secondo cui l’entropia aumenta sempre detiene la posizione suprema tra le leggi della Natura. […] Se si scoprisse che la vostra teoria è contraria alla Seconda Legge della Termodinamica, non posso darvi alcuna speranza; non c’è nulla che non possa farla crollare nell’umiliazione più profonda”.

C’è ancora molta incertezza sul destino finale dell’universo. Alcuni modelli propongono ad esempio che la seconda legge potrebbe non governarci per sempre. Tuttavia, nella fase attuale, il modo più probabile perché tutto finisca rimane quello noto come “morte termica dell’universo”, in cui tutta l’energia è distribuita uniformemente e l’entropia arriva a travolgere tutto. La nostra società tecnologica potrebbe trovarsi ad affrontare un limite fondamentale alla crescita a causa dell’inevitabile riscaldamento globale, dettato esclusivamente dalla seconda legge della termodinamica: l’effetto biogeofisico fondamentale quando si stimano i futuri scenari di riscaldamento planetario.