L'entropia

Tesina - Premio maturità  2008

Titolo: L'entropia

Autore: Walter Brattelli

Descrizione: il mio lavoro di ricerca verte sul concetto termodinamico di entropia nelle sue diverse formulazioni (in particolar modo la definizione matematica di clausius e quella probabilistica di boltzmann).

Materie trattate: fisica, matematica, geografia astronomica

Area: scientifica

Sommario: Agli inizi del XVIII l'invenzione di un nuovo macchinario, la macchina a vapore, segnò la data di nascita (sebbene si sia sviluppata effettivamente solo nel XIX secolo) di una nuova scienza: la termodinamica1. Essa nacque dalla necessità  di comprendere nel modo più rigoroso possibile il funzionamento di questi nuovi dispositivi e di renderli più produttivi, di aumentarne quindi il rendimento. La termodinamica delle origini, infatti, svelava un interesse ed un fine puramente economico, dovuto sostanzialmente al clima settecentesco della rivoluzione industriale che si respirava in Europa e specialmente in Inghilterra, dove questa scienza trovò terreno assai fertile con la ricerca scientifica di William Thomson (1824-1907), rinominato poi Lord Kelvin per meriti scientifici. Tuttavia fu il fisico francese Sadi Carnot (1796-1832) il personaggio chiave nell'evoluzione della termodinamica ottocentesca. Egli infatti pose una pietra miliare nella storia delle scienze moderne: mediante l'ideazione di un ciclo ideale di trasformazioni (isoterme ed adiabatiche2) egli arrivò ad affermare che la produzione di lavoro meccanico avviene grazie al passaggio di calore da un corpo caldo ad uno freddo, e che la macchina termica ha un rendimento massimo (una determinata quantità  di calore poteva produrre al massimo una determinata quantità  di lavoro). Tale rendimento massimo non poteva, e non potrà  mai, essere raggiunto. Le macchine termiche reali infatti, per quanto perfezionabili, non riusciranno mai ad avere un rendimento del 100%, poiché vi è sempre una certa dispersione di energia. Ne consegue dunque che non è possibile costruire una macchina termica reversibile (come quella ipotizzata da Carnot) capace di convertire integralmente il calore in lavoro e viceversa. Lo studio della macchina a vapore, che aveva contribuito a rivelare l'esistenza di una grandezza costante e indistruttibile quale l'energia3 (secondo il primo principio della termodinamica), presto portò all'acquisizione di un'altra consapevolezza da parte del mondo scientifico: l'energia viene costantemente dissipata, essa diviene a poco a poco inutilizzabile (tale è il significato intrinseco del secondo principio della termodinamica). Fu introdotta quindi una nuova grandezza fisica che serviva proprio ad indicare questa "incapacità " di un sistema di compiere un lavoro, l'entropia. Se infatti la condizione necessaria affinché una macchina termica produca un certo lavoro è di avere un certo dislivello termico fra due sorgenti, ogni scambio di calore che non si verificava all'interno della macchina termica venne interpretato come effettiva perdita di lavoro meccanico.