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A cura di Maurizio Melis
Dopo due millenni di affinamenti successivi, all'inizio
dell'800 gli scienziati erano finalmente riusciti a
elaborare una teoria del calore che sembrava convincente:
la teoria del "calorico". Il calorico era
un fluido; una sostanza indistruttibile e senza peso
che scorreva dai corpi caldi verso quelli freddi. Ogni
materiale aveva una diversa capacità di accumulare
calorico e la sua temperatura variava in funzione di
ciò. Per questo, seppur sotto il medesimo sole,
una spiaggia risultava rovente, l'acqua fredda e l'aria
tiepida. Semplice ed efficace. Sul calorico il fisico
e ingegnere Carnot aveva basato la propria teoria delle
macchine termodinamiche, il cui stupefacente successo
era sotto gli occhi di tutti poiché forniva le
basi teoriche all'invenzione cardine della rivoluzione
industriale: il motore a vapore.
Tuttavia, alcuni fenomeni "secondari" non
si conciliavano bene con il calorico: per esempio l'attrito.
Il calorico era indistruttibile e allo stesso modo non
poteva essere creato. Come l'acqua di un fiume scorre
dalla montagna verso valle, il calorico scorreva dal
caldo al freddo: cambiava la temperatura a cui si trovava,
ma la quantità rimaneva costante. Allora da dove
veniva il calore generato con l'attrito? Come spiegare
i trucioli arroventati che uscivano dalle frese quando
si scavava la bocca di un cannone? Qualcuno cominciava
a nutrire seri dubbi. Fu così che mentre i fautori
del calorico si arrampicavano sugli specchi per tentare
una spiegazione, gli specchi si infransero. Il monello
che impugnava la fionda era un certo Joule, il quale
aveva scoperto l'effetto che ancora porta il suo nome,
ovvero che la corrente elettrica fluendo attraverso
una resistenza produce calore. Quindi oltre all'attrito,
anche l'energia elettrica si trasformava in calore.
Era troppo: fine della teoria del calorico.
Chi mise insieme i cocci della disfatta e ne fece il
principio forse più elegante di tutta la fisica
fu Rudolf Clausius. Nato nel 1822, il fisico e matematico
tedesco concluse che il calore non era altro che una
forma di energia come l'energia elettrica, quella meccanica,
la luce, l'energia chimica e acustica. Ma andò
oltre: intuì che era proprio quest'ultima, l'energia,
ad essere per così dire "indistruttibile":
si trasformava da una forma all'altra, ma il suo valore
complessivo non variava mai. E' il principio di conservazione
dell'energia e la formula è così semplice
che la si può scrivere in un articolo di divulgazione:
ΔE=0. Si legge "delta e uguale a zero"
e afferma, appunto, che la variazione totale di energia
(in un sistema chiuso) è zero, indipendentemente
dalle trasformazioni che subisce. Questo è un
principio che ogni sistema fisico dell'Universo deve
rispettare.
La bellezza di questo principio e la solidità
fisica e matematica del lavoro di Clausius conquistarono
rapidamente il consenso di tutti gli studiosi, ed egli
divenne uno scienziato acclamato in tutta Europa. A
27 anni ricevette l'invito a insegnare fisica alla Scuola
Reale dell'Artiglieria di Berlino e appena trentaduenne
approdò all'Ecole Polytechnicum di Zurigo. Poco
dopo - era il 1859 - Clausius si sposò con Adelheid
Rimpau, la donna di cui si era nel frattempo innamorato.
Fu il periodo più felice della vita dello scienziato,
segnato dalla nascita di 5 figli e dal lavoro che lo
avrebbe portato al suo secondo capolavoro.
Clausius, infatti, sapeva che l'energia rimane costante
in tutte le trasformazioni che subisce, ma sapeva anche
che non tutte le trasformazioni sono uguali: per esempio
non si era mai vista una pentola sul fuoco in cui la
fiamma diventasse sempre più calda e la pentola
più fredda, o un uovo scollarsi dal pavimento
e tornare integro sul bordo del tavolo dopo essere caduto.
Di per sé questi eventi non costituirebbero una
violazione del principio di conservazione dell'energia,
ma tra tutte le trasformazioni che il suo principio
permetteva, di fatto avvenivano solo certi tipi di trasformazione.
E presto emerse un dato spiacevole. Se una persona qualunque
avesse dovuto scegliere a quale dei due tipi associare
il termine vita e a quale il temine morte, non avrebbe
avuto dubbi. Le uniche trasformazioni che avvenivano
in natura erano del secondo tipo: l'universo stava lentamente
morendo. Ci sarebbero voluti miliardi, forse migliaia
di miliardi di anni, ma infine l'Universo sarebbe diventato
sempre più uniforme e tiepido mano a mano che
il calore fluiva dai corpi caldi a quelli freddi, raffreddando
i primi e riscaldando i secondi verso un'inesorabile
isotermia. Per ciò stesso, i miliardi di macchine
che lo popolavano, dalle stelle alle forme di vita,
avrebbero cessato di funzionare. Clausius aveva scoperto
l'Entropia e che essa era destinata a crescere al punto
che ogni azione, anche la più utile e creativa,
non faceva altro che avvicinare il momento in cui sarebbe
sopravvenuta la morte termica.
Il principio secondo cui l'entropia aumenta sempre
è una delle forme secondo secondo cui è
possibile enunciare il secondo principio della termodinamica:
un autentico caposaldo della fisica. Un'altro modo per
enunciare questo principio è dire che nessuna
trasformazione può essere veramente reversibile:
questo spiega perchè nessuna macchina può
raggiungere il suo rendimento teorico, e perché
è impossibile il moto perpetuo. Come si intuisce,
il secondo principio della termodinamica ha ricadute
decisive in tutti i campi della fisica.
Quando l'amata moglie non sopravvisse al parto mettendo
al mondo il sesto figlio Clausius, cinquantatreenne,
attraversò il momento più duro. La bambina
che teneva tra le braccia si sarebbe trasformata in
una creatura incantevole, ma lo scienziato quel giorno
ebbe l'impressione che l'Entropia avesse riportato sul
suo personale universo una vittoria secca e terribile.
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