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Dal disordine all’ordine con il Sole

 By Luca Longo

La buona notizia è che l’energia si conserva, quella cattiva è che il disordine aumenta.

Ma per fortuna c’è il Sole…

Foto cover di doudou95870

Ordine è bello e disordine è brutto, su questo siamo tutti d’accordo. Ordine e disordine: due concetti, apparentemente un po’ astratti, anzi, uno solo, perché l’uno è il contrario dell’altro. Ma scavando scopriamo che c’è sotto qualcosa di molto concreto, anzi, c’è quello che guida tutto l’Universo.
Ma qui su Eniday non abbiamo detto un sacco di volte che il motore dell’Universo è l’energia? Esatto. Ma è il passaggio tra ordine a disordine e viceversa che guida tutte le trasformazioni. Se l’energia è il motore, l’ordine è… il volante più il pedale dell’acceleratore dell’Universo.
Proprio su energia e disordine si basano i due principi su cui si fonda tutto il sapere scientifico: il primo dice che l’energia di un sistema si conserva sempre. Gli scienziati per darsi delle arie lo chiamano “Il Primo Principio della Termodinamica”. Ad esempio nella nostra auto l’energia immagazzinata nei legami chimici del carburante, si trasforma in calore sotto il cofano, questo a sua volta diventa energia meccanica e fa andare le ruote per portarci a spasso e infine si trasforma tutto in calore e si disperde.
Ma se l’energia si conserva vuol dire che è sempre lì; perché una volta bruciato il carburante non possiamo più farci niente? A questa domanda risponde il Secondo Principio della Termodinamica (anche questo scritto con le iniziali maiuscole per farci subito capire che è importantissimo).
Questo antipatico principio si può esprimere con complicate funzioni integrali, ma in buona sostanza dice una cosa molto semplice: il grado di disordine di un sistema tende spontaneamente ad aumentare. E, quello che è peggio, se vogliamo riportare un po’ ordine dobbiamo spendere dell’energia. Per averne una prova sperimentale, immaginate il vostro cassetto dei calzini…

Per misurare il grado di disordine di un sistema è stata definita una grandezza apposta: si chiama entropia. Più l’entropia di un sistema è elevata, più questo è incasinato. Più questa è bassa e più il sistema è bello ordinato.
Tutti noi desideriamo vivere in un sistema dove l’entropia è bassa. Solo che non diciamo così, ma preferiamo parlare di un ambiente in cui le bollette del gas e della luce sono ordinate nel loro classificatore, le cose che impariamo sono tutte allineate nella nostra testa, abbiamo una scuola o un lavoro che ci piace dove tutto funziona bene, un governo e un parlamento efficientissimi, tutta l’energia disponibile e nessuno spreco. E senza dimenticare il cassetto dei calzini bello ordinato con tutti i calzini a coppie come nell’arca di Noè. Sono tutti modi per dire che desideriamo un sistema a bassa entropia e ci diamo da fare per ottenerlo, anche se questo ci costa un sacco di fatica (cioè buona parte della nostra energia).
Tutte le trasformazioni tendono ad avvenire spontaneamente evolvendosi in direzione della massima entropia, cioè del massimo disordine, come può testimoniare il nostro gatto se lo inseriamo (spontaneamente) nel cassetto dei calzini appena (faticosamente) riordinato.

Per questo, tutte le fonti di energia nascono dalla possibilità di trasformare qualcosa da uno stato ordinato ad uno più disordinato. Abbiamo già fatto l’esempio dei combustibili fossili, ma anche un mulino ad acqua – o una moderna turbina in un impianto idroelettrico – producono energia perché portano verso il mare quella piccola parte dell’acqua che si trovava – ordinata – in cima alla montagna. Gli impianti nucleari, le centrali termiche a combustibili fossili, le pale eoliche, il latte coi biscotti, producono energia perché trasformano rispettivamente l’energia ordinatamente custodita nel nucleo degli atomi di uranio, negli ordinati legami chimici carbonio-carbonio dei fossili, nell’ordinata differenza di pressione fra una zona del pianeta ad alta pressione ed una a bassa pressione che provoca il vento, nell’energia degli ordinatissimi legami chimici contenuti negli alimenti, in altre cose meno ordinate delle prime e dalle quali non si può più produrre altra energia. Lo stesso vale per tutte le fonti energetiche.
E allora, se tutto prima o poi va a scatafascio, come facciamo a sopravvivere e – per giunta – come abbiamo fatto in quattro miliardi e mezzo di anni a trasformarci da una enorme nuvola di atomi di idrogeno – più una manciata di atomi più pesanti prodotti da una supernova – in un ordinato sistema solare dove si trova anche la Terra, con tutti gli animali che ci stanno sopra, il nostro Paese, la nostra città, casa nostra, il nostro cassetto dei calzini (e il nostro gatto)?

In pratica, l’evoluzione delle specie e – nel nostro piccolo – il progresso del genere umano, sono stati possibili perché i sistemi biologici e il nostro minuscolo sistema sociale sono stati mantenuti ordinati e si sono sviluppati in modo organizzato grazie all’energia che proviene dal Sole.
Le cellule vegetali hanno imparato a sfruttare la luce del Sole per fare la fotosintesi e – con l’energia catturata dai raggi solari – hanno potuto utilizzare materiali fortemente disordinati – come l’anidride carbonica dall’atmosfera e l’acqua dal terreno e dall’aria. Li hanno poi rimontati per ottenere materiali fortemente ordinati, come gli zuccheri, la cellulosa, la lignina, ma anche frutti, foglie e i semi che servono alle piante per riprodursi ed evolversi. A questo punto, gli animali erbivori si sono messi subito all’opera per sfruttare l’ordine immagazzinato dalle piante. Per ultimi, i carnivori hanno pensato bene di utilizzare direttamente il molto più sofisticato ordine presente nel corpo degli erbivori e se li sono mangiati.
Ma questo aumento dell’ordine che ha permesso la nascita e lo sviluppo della vita e poi il progresso, la civiltà e il nostro cassetto dei calzini (senza dimenticare il gatto) non viola il Secondo Principio della Termodinamica? Non abbiamo appena finito di dire che in un sistema qualunque trasformazione aumenta il grado di disordine? Verissimo. Ma dobbiamo precisare che per “sistema” intendiamo un insieme chiuso in cui non ci sono scambi di energia con l’esterno.
È vero che sulla Terra, grazie all’energia che viene dal Sole in tutte le sue forme, tutto l’ecosistema unito combatte l’aumento dell’entropia cercando di costruire strutture sempre più ordinate. Ma se consideriamo l’intero sistema chiuso, costituito dalla Terra ma anche dal Sole, allora l’entropia di tutto il sistema cresce a velocità spaventose perché ogni piccolo aumento dell’ordine sulla Terra comporta la trasformazione di una enorme quantità di energia ordinata immagazzinata dall’idrogeno sul Sole in energia disordinata, elio, altre particelle che si formano durante le reazioni nucleari sul Sole e, naturalmente, i raggi solari che per la quasi totalità si disperdono in tutto l’Universo.
Ogni secondo la centrale nucleare a fusione più grande del sistema solare consuma cinque milioni di tonnellate di idrogeno emettendo onde elettromagnetiche – fra cui anche un pizzico di luce visibile – in tutte le direzioni. Di queste, la quasi totalità viene dispersa nello spazio salvo una quantità veramente minuscola che per caso colpisce proprio la Terra. Tutto quello che abbiamo intorno nasce e si evolve grazie a quella minuscola frazione ed a spese di questo enorme consumo di energia (e aumento di entropia).

Fortunatamente, il Sole va avanti così da circa quattro miliardi e mezzo di anni ed ha combustibile nucleare sufficiente per continuare ad aumentare serenamente la propria entropia per almeno altri quattro miliardi di anni, giorno più, giorno meno.

Per il momento, quindi, almeno di questo non dobbiamo preoccuparci.

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informazioni sull'autore
Luca Longo
Chimico industriale specializzato in chimica teorica. Si occupa di calcolo scientifico da 30 anni. Lavora nella ricerca di nuove tecnologie per l’energia. In tutto quello che fa, ama andare fino in fondo.