Entropia e vita: la seconda legge della termodinamica

Con questo breve articolo non voglio descrivere una recente scoperta scientifica o una invenzione. Vorrei piuttosto riflettere insieme a voi su ordine, caos e vita.

Le leggi della termodinamica hanno implicazioni profonde sulla nostra esistenza, la seconda in particolare. In breve afferma che il livello di disordine (entropia) nell’universo tende a crescere costantemente. I sistemi ordinati procedono inesorabilmente verso il disordine. Un’implicazione di questa legge è ad esempio il flusso del calore, che va da zone calde a zone fredde e mai viceversa. Un cubetto di ghiaccio lasciato sul tavolo si scioglie, ma mai osserveremmo il contrario. Un bicchiere cade e si rompe, ma i suoi pezzi mai si ricongiungeranno autonomamente. Molti processi sono irreversibili, come ad esempio la combustione di combustibili fossili, e tutti questi processi aumentano il disordine dell’universo. Allo stesso modo, la seconda legge della termodinamica prevede la fine dell’universo, una fine chiamata morte termica.

La vita e l’entropia

La seconda legge assume una certa rilevanza nelle riflessioni sulla nostra esistenza e sul nostro desiderio di avanzare come civiltà. Qualsiasi organismo vivente è altamente organizzato, complesso e strutturato. Siamo sistemi a basso contenuto entropico, se fossimo scomposti in semplici sostanze chimiche come acqua e anidride carbonica, il nostro contenuto entropico sarebbe molto più elevato.

Questo però non implica che la nostra esistenza sia una violazione della legge. Le milioni di reazioni chimiche necessarie alla formazione e al mantenimento della vita hanno causato un elevato aumento di entropia nel resto dell’universo. Inoltre noi umani siamo dei maestri nel produrre ordine nel mondo che ci circonda. Costruiamo edifici e strutture enormi, manipoliamo la materia a livello atomico per realizzare strutture altamente organizzate ed ordinate come uno smartphone o una bicicletta. Facciamo tutto questo per combattere la seconda legge della termodinamica, e sfuggire così, per quel che si può, al caos che altrimenti governerebbe.

Per quel poco di ordine che creiamo, produciamo una quantità ancora maggiore di disordine. Carbone, petrolio e gas naturale sono bruciati per garantirci l’energia necessaria a produrre strutture altamente organizzate, ma la loro combustione aumenta l’entropia dell’universo tramite il rilascio di acqua, anidride carbonica e calore.

La definizione

Vorrei spiegare qui, in breve ma con rigore, il concetto di entropia. Questa grandezza è indicata con la lettera S maiuscola e si misura in joule fratto kelvin (J/K). Diverse sono le definizioni di entropia: in meccanica statistica è una grandezza interpretabile come la quantità di disordine. La termodinamica classica introduce S con il secondo principio della termodinamica e la quantifica come l’indisponibilità di un sistema a compiere lavoro.

Si può quindi affermare che quando un sistema in equilibrio passa da uno stato ordinato a uno disordinato, la sua entropia aumenta fino a raggiungere il massimo valore possibile per quel sistema. Questo fatto è indicazione della direzione verso cui evolve spontaneamente un sistema e questa trasformazione è irreversibile. Il secondo principio della termodinamica afferma che l’entropia di una qualsiasi trasformazione irreversibile può solo crescere e mai diminuire. Cosa significa? Significa che in ogni trasformazione energetica parte dell’energia è irrecuperabile, e ciò si identifica con il calore disperso che fa appunto aumentare l’entropia.

Proviamo a chiarire quest’ultimo concetto con un esempio derivante dalla quotidianità: il carburante. Quando accendiamo la macchina, il carburante è bruciato per permettere al veicolo di muoversi. Quindi l’energia contenuta nel carburante è convertita in energia meccanica, ma non solo, buona parte è irrimediabilmente convertita in calore che viene disperso e non recuperato. Se fossimo in grado di convertire tutto il calore prodotto in energia riutilizzabile, avremmo una macchina a moto perpetuo (ad esempio la macchina di Carnot), violando così i princìpi della termodinamica e risolvendo tutti i nostri problemi energetici.

Riflessione ultima

Nel mentre che lottiamo e ci sforziamo per fare nuove scoperte e inventare nuove tecnologie che aumentino l’ordine della nostra società, trasciniamo l’universo verso un incremento inesorabile di entropia così come stabilito dalla seconda legge. Noi come specie umana dobbiamo imparare a sfruttare al meglio fonti energetiche rinnovabili, come quella solare, prima di esaurire le limitate risorse energetiche attualmente disponibili.

Ludovico Andrea Alberta

Mi chiamo Ludovico e ho preso a cuore il progetto di The Science Lab. Ho iniziato a scrivere articoli per il presente blog a settembre 2020. Sono laureato magistrale in Scienze e Tecnologie Chimiche all'Università di Milano - Bicocca. Attualmente mi trovo a Dresda (Germania) per il mio dottorato. Mi occupo, insieme ai miei colleghi del progetto BIOREMIA ETN, di sviluppare nuovi potenziali materiali per impianti ortopedici e dentali. Io nello specifico studio e ricerco leghe innovative di titanio con azione antibatterica. (Se vuoi saperne di più, visita il sito www.bioremia.eu)

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