Fisica tecnica/Secondo principio della termodinamica: differenze tra le versioni

INTRODUZIONE Se il Primo Principio è in sostanza la quantificazione teorica dell'impossibilità di produrre energia e quindi lavoro dal nulla nel Secondo Principio si ha l'estensione del concetto alla impossibilità ,inizilamente considerata solo come limite tecnologico e qundi pratico,di trasformare completaqmente il calore in lavoro dove per lavoro si deve intendere un qualcosa di utile ottenibile dal funzionamento di una macchina termica.Difatti il Secondo Principio è figlio degli studi di Sadi Carnot,ingeniere che operava sulle prime macchine per le quali arrivò a formularne il rendimento massimo ottenibile.Come fonte di energia era disponibile allora solo il calore da combustione che veniva passato al fluido motore come ad esempio l'acqua che diventa vapore.Tale rendimento è legato alla temperatura iniziale del fluido,cioè il vapore,con la sua temperatura finale una volta ricondensato in acqua.Siccome l'acqua a 100°C è tornata liquida non sarà più in grado di azionare il meccanismo e pertanto il calore che in essa rimane è a tutti gli effetti perduto.Questo in parole povere era considerato solo un limite della tecnologia allora disponibile ma in realtà è un limite insuperabile e comune a qualunque forma di energia e a qualunque forma di trasformazione della stessa.La prima enunciazione del Secondo Principio infatti era stata la seguente: " non è possibile trasformare integralmente il calore in lavoro" e di conseguenza anche"non è possibile far passare calore da un corpo freddo ad un o più caldo senza spendere lavoro"(enunciati di Kelvin-Clausius).

si vede subito che n (rendimento) non potrà mai essere numericamente uguale a 1 ovvero con 100% di trasformazione

In ogni caso gli studi proseguirono e con questi nasce anche una nuova branca del sapere fisico,la Termodinamica e nuove grandezze quali l'Energia Interna '''U'''cioè il contenuto globale di energia posseduta da un corpo o di un sistema e la Entalpia '''H''',ovvero il contenuto termico a pressione costante.Infatti la Entalpia come l'Energia interna di un corpo sono '''funzioni di stato''' cioè dipendenodipendono solo dalo stato inizile e a quello finale del processo che lo coinvolge e non da come vi si giunge.|matematicamente la si definisce un integrale esatto|

Successivamente con gli studi di Clausius verso la fine dell'Ottocento si arriverà ad un'altra formulazione,quella oggi più importante,ovvero con l'introduzione di una nuova funzione di stato ,la Entropia '''S'''.Questa ha sempre a che vedere con il calore ma più precisamente con il rapporto tra la variazione di questo e la temperatura del corpo o sistema.Da non confondere con la '''capacità termica''' nellacon la quale èsi determina come cambia la temperatura del corpo con appaortoapporto di calore,ovvero calore /variazione di temperatura.Distinzione forse poco evidente ma fondamentale.Tale rapporto ,variazione di calore /temperatura, e quindi l'entropia di un corpo ha la cartteristica di non diminuire mai spontaneamente ma di aumentare sempre.Difatti la nuova enunciazione del Secondo Principio è detta entropica: "l'entropia di un sistema aperto aumenta sempre" dove per sistema aperto si deve considerare l'intero Universo.La locuzione "aperto" lascia la possibilità che in un sistema isolato,cioè che non prevede scambi con l'esterno,la entropia possa invece diminuire.Sembra una contraddizione ed in effetti lo è nel senso che lascia una certa indeterminazione sulla natura della stessa entropia.Questo apre a sua volta al discrimine del perchè un processo avvenga o perchè invece non avviene.Infatti c'è da attendersi che un processo in cui l'entropia ,per così fire,vada controcorrente sia non proprio favorito.In realtà il Secondo Principio non è così categorico come potrebbe sembrare data l'enunciazione entropica secca e definitiva. Innanzitutto esistono processi in cui tale funzione di stato non varia,nè in un senso né nell'altro,semplicemente resta uguale.Questi sono i procressiprocessi reversibili quali ad esempio le espansioni adiabatiche( cioè senza scambio di calore) o le compressioni sempre adiabatiche.InquestiIn questi processi,per altro ideali e quindi limitanti in effetti il concetto di entropia come grandezza indipendente dalle condizioni, l'Energia interna '''U''' cambia ma per il lavoro che il sistema compie espandendosi o per quello che sul sistema viene fatto comprimendolo.Infatti '''U = Q - |W!''' dove Q èil calore in gioco e W il lavoro svolto (con segno -) o assorbito ( con segno +).

Si vede subito,nell'esempio citato di reversibilità, che essendo adiabatico il processo il calore Q resta inalterato mentre si sottrae W (U diminuisce) nel primo caso e si agginge nel secondo caso (U aumenta) mentre l'entropia S è inalterata.Sono i processi irreversibili,quelli purtroppo ben reali,ad essere favoriti.In questi appunto l'entropia sale comunque.

Con questo però non si va molto lontani.Infatti se bisogna ricorrere a processi ideali per poter in qualche modo quantificare l'entropia essa stessa diventa in qualcheun certo modo ambigua.I processi ideali infatti pressuppongono condizioni non realizzabili.Sarà con Boltzmann che si avrà il salto necessario per svincolare il concetto di entropia dalle condizioni al contorno introducendo il concetto prima diprobabilitàdi probabilità e poi di ordine e disordine del sistema.

E' possibile come detto che in sistema isolato cioè localmente l'entropia diminuisca,noi e gli esseri viventi ne siamo un esempio in quanto strutture altamente organizzate,ma nel complesso ,se consideriamo non solo il ristetto ambito che ci riguarda come viventi,ma tutto l'insieme che ci circonda il disordine e qundi l'entropia tenderà sempre ad aumentare.Come?Semplice noi,presi come unicuum invecchiamo ad ogni istante così come ogni organismo che vive e scontiamo questo con il perdere progressivamente quella capacità fisica,intelettuale a cui diamo il nome di giovinezza o di salute.Un fiore avvizzisce dopo la fioritura,un corpo si decompone dopo la morte restituendo al sistema Universo la nostra parte di entropia.Ci sarebbe da notare che si potrebbe dire come proprio l'aumento costante di entropia ci consente di avere la nozione di tempo.Infatti noi classifichiamo gli eventi nel passaggi da uno all'altro e tale poassggiopassggio ,se tutto restasse sempre perfettamente uguale, sarebbe assolutamente indistinguibile.IlprocessoIl processo adiabatico prima accennato,si potrebbe obbiettare,essendo costituito da un ciclo espansione/compressione parrebbe costituire un percorso comunque interessato alla '''freccia del tempo''' ma in realtà,se è effettivamente ideale e reversibile si ripristinerebbero le condizioni iniziali anche dopo numerosi cicli e solo un osservatore esterno potrebbe dire che il ciclo stesso è avvenutoavvenutomentre per uno interno al sistema non sarebbe cambiato nulla. E' singolare tutto questo!Senza l'entropia che aumenta non avremmo forse la nozione del tempo,noi stessi,il mondo che conosciamo non esisterebbe o perlomeno sarebbe del tutto inavvertibile.E' il Sole che ci fornisce energia a basso livello di entropia ,non solo come erroneamente si pensa '''solo''' energia e,per assurdo che possa sembrare,è anche lo spazio circostante,freddo, che rende possibile il tutto.Il Secondo Principio infatti per essere valido deve prevedere una fonte di calore e uno assoritoreassorbitore a temperatura più bassa.Ecco perchè l'energia nucleare libera non la si può utilizzare,mancherebbe la sorgente fredda adatta allo scopo.Questo avviene solo nelle stelle con lo spazio siderale a 2,76 °K,cioè parecchio freddino! attorno ad assorbireneassorbirne l'energia dissipandola e facendo aumentare l'entropia dell'Universo.Fu Clausius per primo derivandola proprio dal concetto di entropia appena introdotto a formulare l'ipotesi della morte termiìcatermica dell'Universo.Un argomento questo tutt'ora dibattuto.(continua)