L'ENTROPIA e la lettura
che ne dà la FILOSOFIA
Il fisico tedesco Rudolf Julius Clausius,
uno dei fondatori della termodinamica,
è colui che ha coniato il termine entropia
e ne ha chiarito il concetto in riferimento
al 2° principio della termodinamica.
L'entropia concerne in senso proprio
i processi fisici irreversibili, dove vi è
trasformazione di energia "ordinata"
in "disordinata", ovvero "utilizzabile"
in "inutilizzabile", o ancora: da
"informata" in "disinformata".
Nel primo caso alludiamo allo stato di un
sistema o di un oggetto, nel secondo ai
nostri scopi d'utilizzazione di esso,
nel terzo alla sua forma. Oppure:
nel primo caso ci riferiamo
alla
struttura interna, nel secondo al nostro
valore d'uso, nel terzo alla perdita o
degrado dell'organizzazione interna
del sistema o dell'oggetto considerati.
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Per capire meglio di che
cosa stiamo
parlando alcune esemplificazioni grafiche
sono piuttosto utili, per esempio le
due seguenti (affiancate) rendono bene
l'idea. La prima ci fa capire il gradiente
d'energia di un flusso d'acqua in caduta;
il secondo riguarda il rendimento, o
l'efficienza meccanica, di una macchina
a vapore che per trasformare la pressione
in lavoro meccanico ne perde la metà
in calore disperso.
Altri due esempi (sovrapposti) ci
aiutano ulteriormente. Il primo ci fa
capire come un gruppo ideale
di molecole di gas in un contenitore,
disposte secondo un certo ordine, se
vengono lasciate liberamente espandere
in un altro contiguo, disponendosi
a caso avranno perso tutta l'informazione
che prima le teneva insieme.
Il secondo riguarda un muro di
mattoni:
se lo si abbatte si passa a mattoni in
uno stato caotico. Non costituendo più
un muro, essi hanno perduto tutta la
informazione, cioè l'organizzazione, che
li aveva messi assieme in un cert'ordine.
In più, avranno perso energia potenziale,
proporzionale alla nuova altezza dal suolo.
Se non si saranno rotti si potranno
riutilizzare per costruire un altro muro,
ma occorrerà ripulirli, riportarli in quota,
impastare i leganti e reincollarli, tutta
energia da spendere per rifare il distrutto.
Non basta, poiché ci vorrà anche nuova
informazione attraverso l'intelligenza
del muratore, che spenderà perciò
energia mentale per riassemblarli.
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Passando dal pratico al
teorico, dobbiamo
introdurre il concetto di sistema in cui
si verifica entropia ed insieme sottolineare
che essa non
è risarcibile solo se esso
è "chiuso". Ma in natura i sistemi chiusi
non esistono, a meno di considerare tale
l'universo
entro suoi presumibili confini.
Nei sistemi aperti in realtà
vi è sempre
compensazione tra sistemi contigui, per
cui attraverso meccanismi di perdita
e di acquisto un sistema finisce sempre
per raggiungere uno stato d'equilibrio
e di stabilità, che corrisponde
allo stato di minima energia libera.
Se, per continuare con gli
esempi,
pensiamo ad un puzzle che
abbiamo
composto su di un tavolo
e che
involontariamente abbiamo alterato
con un gomito, per ricomporlo noi
dovremo
spendere energia manuale.
In più, così com'è esso è ora
forse non sarebbe neppure più
valido
come immagine significativa,
quindi non più utile in quanto tale.
Dobbiamo ridargli l'informazione
perduta ed impegnare la nostra mente
affinché
il ripristino sia corretto, fatto
con gli incastri giusti per ridare
il voluto significato d'immagine.
Ancor peggio andrà se il
puzzle finirà
a terra, poiché in questo caso dovremo
chinarci per raccogliere i singoli pezzi
spendendo molta più energia fisica;
l'immagine sarà totalmente perduta, e
ancor più dovremo far lavorare
il nostro cervello per riottenere,
da zero, quanto è andato distrutto.
L'energia fisica e mentale
che dovremo
spendere è il corrispettivo
di quella
andata
entropicamente persa
attraverso la trasformazione negativa
subita dal "sistema puzzle".
Tuttavia, nel caso del
puzzle, come s'è
visto per il muro, noi
siamo in grado
di ricomporlo, e ciò perché il sistema è
reversibile: potremo quindi farlo sulla base
della sua sostanziale "reversibilità".
Se noi invece
immaginiamo un vaso
di cristallo che cade dal tavolo
e va in mille frantumi, siamo di fronte
a una "irreversibilità", come quando
il fianco di una montagna frana a valle.
E' chiaramente impossibile sia
riassemblare i pezzi di cristallo e sia
reincollare la terra alla roccia, e ciò
per quanta energia e pazienza
siamo disposti a spendere.
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Per tornare a Rudolf Clausius, la
sua
formulazione
del concetto fisico di
entropia fa
riferimento proprio alla
irreversibilità di un processo, ne
deriva
che se la perdita energetica e
d'organizzazione interna (informazione)
nei processi fisici
è irreversibile, ciò
significa che di perdita in
perdita
alla fine si arriva al disordine totale.
Ma ciò, lo ribadiamo, vale soltanto se
il sistema è
chiuso,
poiché se è
aperto (e in natura tutto è aperto)
prima o poi può acquistare energia
dall'ambiente o da sistemi contigui.
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Ma la legge dell'entropia
risulta
del tutto violata nei sistemi biologici,
dove gli esseri viventi, a qualsiasi regno
appartengano, sono in grado di creare
tessuto e strutturare se stessi in
organizzazione vitale prelevando
energia esterna (luce, calore, cibo, ecc.)
e di trasformarla in tessuti, organi o
riserve di energia libera da poter
spendere all'occasione.
Un seme
di quercia che si sviluppa in
una piantina, che cresce e si organizza
in un massiccio fusto di fibre cellulosiche
e ligniniche e di foglie captatrici di luce
realizza un perfetto ordine interno, una
organizzazione di sé per funzioni vitali.
In tal modo si ha un processo che è
costruttivo,
opposto a quello distruttivo,
tipico dei sistemi fisici in generale.
Gli organismi viventi sono infatti capaci di
auto-organizzarsi trasformando materia
disorganizzata in corpo proprio:
macchina biologica che usa energia esterna.
Si parla allora di entropia negativa,
ovvero di neghentropia.
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Clausius aveva espresso i
fenomeni
entropici
sulla base dell'evolvibilità di
ogni sistema termodinamico.
Evidente che il
secondo principio
è però è oppositivo al primo, che
concerne la conservazione dell'energia,
non la dissipazione quale evoluzione
negativa dei sistemi fisici.
Essendo l'entropia espressa
dal simbolo S,
avremo una prima equazione generale
riferita a un ideale reversibilità dei sistemi:
Δ S int + Δ S est > 0
con la somma incrementale dell'entropia
interna più quella esterna
tendente
a zero. Ad essa si contrappone quella
dell'irreversibilità reale entropica,
così espressa:
Δ S int > Qcal / T
dove l'incremento di
entropia Δ S
di un
sistema è dato dalla quantità di calore
Qcal
che è liberata, e quindi
perduta, in ragione
del tempo T
di durata della dissipazione.
La composizione grafica che
segue sarà
utile per chiarire le fenomenica dell'entropia
secondo Clausius:
Le definizioni di Clausius, come prevedibile,
ebbero enorme eco tra i fisici del suo tempo
ed un suo collega di vent'anni più giovane,
Ludwig Boltzmann, avrebbe molto
contribuito a chiarirne l'aspetto teorico.
Ludwig Boltzmann
Nel 1896 egli, avendo capito che i
fenomeni termodinamici non sono
altro che effetti
macroscopici di
quelli molecolari,
così scriveva:
Ogni
deviazione dall’equilibrio è degradazione dell’energia.
Ugualmente improbabile è la forma di energia del puro lavoro
meccanico; invece nel lavoro chimico può avere già luogo una
miscela di atomi che almeno in parte corrisponde alle leggi
probabilistiche. Quelle che noi abbiamo chiamato in precedenza
forme di energia degradata, non saranno quindi altro che le forme
più probabili di energia, o per meglio dire, sarà energia che è
distribuita fra le molecole nel modo più probabile.
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E' evidente che il concetto di entropia
è
fondamentale per definire e comprendere
ogni processo termodinamico, ma ne
permette anche utilizzi estesi, in campi
anche molto lontani, al punto da diventare
uno dei concetti più noti e sfruttati,
per esempio nell'ecologia e
nelle teorie dell'informazione.
Sull'argomento abbiamo
individuato
un
testo dedicato all'entropia di estremo
interesse, che quindi proponiamo in
lettura alla pagina
che segue: