La morte enptropica dell’universo

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"(...) Poiché sono dell'opinione che i nomi di quantità di questo tipo - che sono così importanti per la scienza - debbano essere ricavati dal linguaggio degli antichi al fine di introdurli senza modificazioni nei linguaggi moderni, propongo (...) il nome di entropia (...), partendo dalla parola greca etropé che significa trasformazione. Intenzionalmente ho formato il termine entropia in modo tale da renderlo il più simile possibile al termine energia: infatti entrambe questa quantità (...) sono così strettamente connesse l'una all'altra dal punto di vista del significato fisico che mi pare utile una certa analogia anche nei loro nomi"

 

Rudolf Julius Emanuel Clausius

 

L’entropia secondo Clausius

Nel 1861 Clausius si era ormai completamente affermato, dopo aver prodotto, nel decennio precedente, la nuova radicale teoria del calore che abbatteva definitivamente la teoria del calorico e dopo aver formulato per la prima volta il principio di conservazione dell'energia.

Iniziò la sua decisiva riflessione ripensando ai due soliti esempi dell'irreversibilità del calore. Prima di tutto, il calore sembrava passare in maniera naturale dal caldo al freddo, mai dal freddo al caldo. In secondo luogo, l'attrito convertiva il movimento meccanico in calore, ma sembrava che in natura non esistesse un processo simile per trasformare il calore in movimento meccanico. Clausius individuò in queste due classi di fenomeni, che si verificano spontaneamente, due tipi di cambiamento: di temperatura (energia termica che passa dal caldo al freddo) e di energia (energia meccanica che si trasforma in energia termica).

Suppose che questi due tipi di cambiamento dovessero avere la stessa natura, in quanto aspetti diversi di uno stesso fenomeno, ossia che fossero entrambi variazioni di entropia. In quest’ottica, le trasformazioni naturali spontanee avrebbero prodotto un aumento dell'entropia.

Stabilì poi un metodo per quantificare la variazione di entropia subita da un sistema durante una trasformazione, con la seguente relazione:

DS = DQ

          T

nella quale DS è la variazione di entropia subita da un sistema che abbia assorbito la quantità di calore DQ mentre si trova alla temperatura assoluta T;

DQ è positivo se il calore viene assorbito, negativo se viene ceduto.

 

 

Esempi di calcolo della variazione di entropia.

 

1)     Un corpo si scalda per attrito; l'entropia aumenta, infatti il corpo assorbe calore,

quindi DQ e DS sono positivi.

 

2) Consideriamo due corpi C1 e C2, inizialmente alle temperature T1, alta, e T2, bassa.

Messi in contatto termico, il corpo caldo cede calore al corpo freddo:

per la conservazione dell'energia, il calore Q1 ceduto da C1 è uguale al calore Q2 acquistato da C2.

La variazione di entropia subita dal sistema sarà:

DS = DS1+ DS2 = QQ > 0

                                        T1   T2  

quindi anche qui l'entropia aumenta. La trasformazione inversa, quella "innaturale",

per cui il corpo freddo cederebbe calore a quello caldo, implicherebbe una diminuzione di entropia.

 

 

 

L’entropia secondo Boltzmann

   La formula della… sfortuna.

 

La legge di Boltzmann enuncia che l'entropia S (ovvero la “casualità”) di un sistema è proporzionale alla costante di Boltzmann KB = 1,38 10–23 J K–1, moltiplicata per il logaritmo del numero totale W dei microstati (vale a dire delle situazioni differenti) in cui un sistema può trovarsi.

S = KB ln W

Più il sistema è complesso, maggiore è il numero dei suoi microstati, maggiore è l'entropia. Si ha S = 0 solo se il logaritmo è zero, cioè se W = 1; questo W = 1 corrisponde alla stato quantico fondamentale presente allo 0 assoluto, cioè a 0 K, e prende il nome di “condensato di Bose-Einstein”: in esso tutti gli atomi assumono un unico stato e sono, pertanto, indistinguibili.

In condizioni normali gli atomi si trovano in vari livelli energetici. A temperature sufficientemente basse, invece, il comportamento cambia a seconda che gli atomi appartengano alla categoria dei bosoni o a quella dei fermioni. Nel primo caso, la maggior parte degli atomi precipita nello stesso livello quantistico: diventano indistinguibili, poiché hanno la stessa energia e si trovano tutti in un piccolo intervallo di spazio, e formano una specie di "superatomo", che appare come una singola entità. I fermioni invece si differenziano quindi su vari livelli e non possono creare condensati.

 

 

La morte entropica dell’universo

Nell'universo non è ancora stata individuata una massa corrispondente quantitativamente a quella già risultante quale "materia".

Inoltre risulta che dopo il big-bang si sarebbe determinata l’esistenza, in parti uguali, di materia e di antimateria.

 

Tenendo conto che materia e antimateria, venendo a contatto, si distruggerebbero a vicenda, alcuni scienziati, per giustificare la "sopravvivenza" nell'universo della sola materia, hanno ipotizzato che vi sia stata all'inizio una sovrabbondanza di materia rispetto alla antimateria. E' dimostrato scientificamente che, a causa dei fenomeni di entropia che accompagnano l'evoluzione dell'universo, l'universo stesso si avvierebbe inesorabilmente ad una morte entropica, laddove la dispersione dell'energia sarebbe completa. Ciò si rivelerebbe contrario alle leggi di conservazione unanimemente riconosciute; si potrebbe ipotizzare che l'energia perduta dall'universo passerebbe all'antiuniverso, dove, quando tale energia fosse giunta al culmine, si determinerebbe un nuovo big-bang che darebbe origine a un nuovo universo.

La morte entropica dell’universo è pienamente riconducibile alla morte termica di esso. Se l'universo si espandesse, la temperatura diventerebbe uniforme e, siccome per il secondo principio della termodinamica,  per avere una trasformazione termodinamica è necessaria una variazione di temperatura, si giungerebbe alla morte termica.

Marco Garofalo

 

Fonti bibliografiche/web:

 

      http://digilander.libero.it

 

      http://www.bdp.it

 

      www.fmboschetto.it

 

      it.wikipedia.org

 

        www.cernusco.com

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