(Conferenza tenuta presso il Liceo Scientifico di Sessa Aurunca. Rielaborazione, integrazione ed aggiornamento di alcuni lavori già pubblicati in Fisica/mente. I problemi, da 30 anni, sono sempre gli stessi)

Prof. Roberto Renzetti
Fisico, direttore magazine : www.fisicamente.net 
 

Sessa Aurunca 10 novembre 2006

(le foto sono relative a vari momenti della conferenza)

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L’ENERGIA SI CONSERVA.

ED ALLORA, PERCHE’ C’E’ LA CRISI ENERGETICA?

            L’uomo, dalla sua comparsa sulla Terra, ha avuto bisogno, prima, dell’energia necessaria al suo sostentamento, quindi, di quella necessaria per il sostentamento della specie e per il miglioramento delle sue condizioni di vita. Si passa così dalla raccolta di frutti offerti dalla natura alla caccia ed alla pesca di altri esseri viventi. Quando questo non basta più, l’invenzione dell’agricoltura e dell’allevamento, permettono enormi balzi in avanti nel numero degli individui e nel soddisfacimento dei loro bisogni. L’agricoltura inizia a porre la necessità di animali che facciano lavori pesanti. Si iniziano poi a pensare le prime macchine che servano queste prime funzioni produttive. Si sfrutta così il vento, poi l’acqua fluente, quindi in caduta … La società si organizza in modo sempre più complesso ed articolato fino all’introduzione dell’altra formidabile macchina capace di fare lavoro e, per di più, intelligente: lo schiavo.

            Quando l’energia meccanica per determinati usi era fornita dagli schiavi e dagli animali, ci si poteva preoccupare di avere (o curare) più schiavi, più animali ed una agricoltura che servisse a mantenere in vita coloro che fornivano l’energia richiesta. Quando l’energia meccanica era fornita da macchine idrauliche o dal vento, ci si poteva preoccupare di questioni meteorologiche.

            Ed arriviamo con molti miglioramenti tecnologici, ma con le energie suddette (alla quale si accompagna il fuoco da legna e carbone per le prime fusioni), al superamento della rivoluzione dell’artigianato a cavallo tra il Cinquecento ed il Seicento ed all’ingresso nella rivoluzione industriale della metà del Settecento che vedrà la sua esplosione nell’Ottocento. Le energie richieste si moltiplicarono. La schiavitù era, in Europa, praticamente scomparsa. Gli animali vennero utilizzati sempre più intensamente ma l’energia che potevano dare era insufficiente a quanto veniva richiesto. Allo stesso modo per l’energia del vento (ancora eccellente per la navigazione) e quella dell’acqua che, alla fin fine restava l’unica ad essere usata in modo diffuso, pur manifestando la sua incapacità di fornire più che energia, potenza (energia “concentrata” nel tempo).

              Durante questo periodo storico (Rinascimento, Barocco) segue l’enorme influenza della religione nei fatti dell’uomo. Ogni cosa era sempre riferita a Dio, al massimo a magie, astrologie, alchimie di ogni tipo. Fu Galileo con la sua scuola ad iniziare l’opera di laicizzazione del pensiero, particolarmente scientifico e fu lui che iniziò il cammino della scienza sperimentale. Ma ancora non vi era richiesta sociale di energia che andasse al di là di quanto ho detto. Pensatori e scienziati posteriori a Galileo, tradirono il suo spirito e rinfilarono dalla finestra ciò che Galileo aveva espulso dalla porta, la metafisica. In ambito scientifico, ad esempio, Cartesio pensa ad un mondo che funziona come un grande orologio messo in moto da Dio. La macchina va da sola, dopo il primo impulso del Creatore (e già questa cosa gli comportò la condanna della Chiesa). Seguì Newton che scrisse la sua opera fondamentale, i Principia, inserendo in essa (seconda edizione) una conclusione che vedeva Dio come attore all’interno stesso del mondo: è Lui che rifornisce istantaneamente di energia l’universo, è lui che interviene dove, ad esempio, un qualche pianeta “non ce a facesse nella sua orbita”, è Lui che, in definitiva, reintegra ogni perdita di  “movimento” che si ha nell’Universo. Non deve quindi stupire che alla meccanica newtoniana fossero estranei i concetti di lavoro ed energia, concetti che invece diventeranno  “tecnologicamente” molto importanti in connessione con la seconda rivoluzione industriale che si avvia in Inghilterra mentre la Francia si solleva in una Rivoluzione contro l’arretratezza che nobiltà e clero le imponevano. L’Illuminismo apre la via alla borghesia produttiva che può iniziare ad espandersi per l’Europa avendo mostrato che ne ha la forza e l’intenzione.

              E proprio a partire dalla fine del Settecento si iniziarono ad introdurre nei processi produttivi le macchine termiche.

              L’introduzione nei processi produttivi di una grande quantità di ritrovati tecnici poneva interrogativi sempre più pressanti: si trattava di sottoporre a trattamento teorico i problemi che si ponevano, si trattava di capire per ottimizzare i rendimenti delle varie macchine.

            Quando l’energia meccanica è fornita dalle macchine termiche, infatti, occorre preoccuparsi del combustibile, del suo costo. Le macchine termiche sono quegli strumenti che permettono la trasformazione di calore in lavoro meccanico. Si dispone di un dato combustibile (prima legna poi carbone e quindi petrolio e gas): esso viene bruciato in questa macchina; l’energia liberata dalla combustione viene opportunamente trasformata in energia meccanica che, essenzialmente, è movimento. Macchine di questo tipo sono relativamente recenti: esse furono introdotte massicciamente nei processi produttivi intorno alla metà dell’Ottocento. Risolta la miriade di problemi tecnologici che esse ponevano, rimaneva il problema del combustibile: fintantoché esso fu a buon mercato ci si occupò poco del problema ma, presto, si cominciarono a far sentire le prime crisi energetiche. Spogliate le foreste si passò al carbone, quindi al petrolio e poi all’energia nucleare. Diversi combustibili per epoche diverse e per necessità produttive sempre maggiori. Ma, al di là di ogni altra questione, pur fondamentale, rimane il problema dei costi dei combustibili, legato, a tempi più o meno lunghi, alla loro disponibilità.
            Un combustibile è quindi un qualcosa da cui si può tirar fuori dell’energia: oltre a quella direttamente termica, energia meccanica, energia di gran qualità, molto richiesta sul mercato. È chiaro che bruciando un combustibile per produrre calore, il fine è raggiunto completamente: tutto il combustibile brucia, tutto diventa calore. Il problema è più delicato nel caso in cui si bruci un combustibile per produrre lavoro meccanico. Sembra che l’intermediario (la macchina termica) si prenda una commissione (una tangente) ogni volta che fa una trasformazione.
Insomma il problema è il seguente: come è possibile trarre il massimo utile (nella nostra accezione: il massimo lavoro meccanico) da una data quantità di un dato combustibile?
        Il problema fu affrontato per la prima volta (1824) dal fisico francese Sadi Carnot, sulla strada aperta dagli studi di suo padre Lazare, ingegnere prestigioso al servizio della Rivoluzione, sulle macchine idrauliche Egli si costruì mentalmente una macchina termica esente da ogni difetto: una macchina perfetta (ideale) la quale avrebbe trasformato calore in lavoro meccanico nel modo più redditizio possibile. Lo studio teorico del problema portò Carnot a conclusioni di enorme importanza: se alimentiamo questa macchina ideale con una quantità di calore Q₂, il lavoro meccanico L che otteniamo non potrà mai essere uguale all’energia equivalente a Q₂. Perché? La macchina per funzionare ha bisogno di scaricare verso l’esterno parte del calore che gli viene fornito, deve cioè buttar via una parte Q₁ del calore Q₂ che la alimenta. Quanto qui detto si può dir meglio in altro modo: una macchina termica, per funzionare deve disporre di due sorgenti di calore a temperature diverse: la sorgente calda a temperatu­ra T₂ che fornisce la quantità di calore Q₂ e la sorgente fredda a temperatura T₁ che assorbe la quantità di calore Q₁. In definitiva il lavoro meccanico che può dare la macchina ideale di Carnot è: L = Q₂ – Q₁. È immediata una conclusione: se si dispone di una sola sorgente, alla temperatura che si vuole, è impossibile far funzionare una macchina termica. E ciò si può dire ancora in altro modo, che poi non è altro che l’enunciato di Kelvin-Planck del secondo principio della termodinamica: è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire calore da un serbatoio caldo e di convertirlo completamente in lavoro meccanico (se ciò fosse possibile, utilizzando l’acqua del mare come serbatoio caldo, si potrebbero far camminare le navi all’infinito; utilizzando l’aria come serbatoio caldo, potrebbero funzionare all’infinito anche le centrali elettriche;…).

            Quindi una macchina termica deve scaricare all’esterno parte del calore che gli forniamo per poter funzionare. Due esempi dovrebbero convincerci: il frigorifero che scarica calore dalla sua parte posteriore (quella serpentina che si trova dietro il frigorifero è proprio un radiatore, uno strumento che serve a liberarsi rapidamente del calore che la macchina cede verso l’esterno. E questo è il motivo per il quale il costruttore raccomanda sempre di tenerlo distanziato dalla parete, proprio per permettere una maggiore «radiazione» del calore) e la vostra automobile che scarica calore attraverso il radiatore dell’acqua ed i gas di scarico. Tanto vale, a questo punto, introdurre anche l’altro fondamentale principio della termodinamica, il primo (che, a dimostrazione di una non conseguenzialità tra i due, fu enunciato per la prima volta in forma completa e chiara dal fisico tedesco Helmholtz nel 1847, una ventina d’anni dopo i lavori di Carnot. Se solo si pensa che ci troviamo a ben 150 anni dalla formulazione della meccanica di Newton, ci si rende conto della grande difficoltà che il problema comportava). Il primo principio non è altro che il principio di conservazione dell’energia: in un sistema isolato nel quale avvenga una trasformazione ciclica di calore in lavoro (o viceversa), nel bilancio energetico bisogna tener conto di tutte le quantità in gioco (lavoro fornito o sottratto, calore fornito o sottratto); in questa ipotesi, la somma di tutte le energie (meccaniche e termiche) che abbiamo all’inizio della trasformazione è uguale a tutte le energie (meccaniche e termiche) che abbiamo alla fine della trasformazione. Il primo principio nega quindi che sia possibile in natura creare o distruggere energia. Il secondo principio invece nega che sia pos­sibile utilizzare energia a nostro piacimento, nega cioè alcune trasformazioni di calore in lavoro.
            Dunque, il lavoro meccanico che può essere prodotto da una macchina termica ideale è L = Q₂ – Q₁. Si definisce rendimento del primo ordine (e si capirà più oltre il motivo del complemento di specificazione) la quantità r data dal rapporto tra il lavoro meccanico L che una macchina termica produce e l’energia (la quantità di calore) Q₂ che ad essa viene fornita:

Poiché L = Q₂ – Q₁, sostituendo questa quantità nella relazione precedente, si trova:

            Quindi il rendimento di una macchina termica è dato dal numero 1 al quale viene sottratta una certa quantità Q₁/Q₂. Capiamo meglio. Se risultasse r = 1, ciò vorrebbe dire che tanta energia abbiamo fornito (Q₂), tanto lavoro meccanico abbiamo ottenuto (L). Il primo principio della termodinamica ci assicura che questo è il massimo che noi potremmo ottenere: rendimento 1 vuol dire rendimento del 100%. Se risultasse r = 0, ciò vorrebbe dire che noi forniamo energia termica senza che la macchina faccia alcun lavoro  meccanico: peggio di così è impossibile. Quindi r è un numero compreso tra 0 ed 1. Ciò che però interessa è osservare che, anche per una macchina ideale, r risulta sempre minore di 1. Al numero 1 va infatti sottratta la quantità Q₁/Q₂ che è sempre minore di 1 (per definizione di Q₁ e Q₂) e, ciò che è peggio, è sempre diversa da 0 (per quanto ci ha insegnato Carnot: è infatti impossibile che Q₁ sia uguale a 0 se si vuole far funzionare una macchina termica). Affinché il rendimento sia il maggiore possibile si deve cercare di rendere il più piccolo possibile il rapporto Q₁/Q₂. Poiché si può dimostrare che per una macchina di Carnot sussiste l’identità seguente:

dove T₁ e T₂ sono le temperature assolute corrispondenti rispettivamente alla sorgente fredda e calda, risulta evidente che rendere minimo Q₁/Q₂ equivale a rendere minimo T₁/T₂. Quest’ultimo rapporto si può rendere minimo lavorando con due sorgenti che abbiano il massimo possibile di differenza di temperatura (T₁ molto piccola e T₂ molto grande: una frazione con denominatore grande e numeratore piccolo è un numero piccolo). È importante però osservare che questo è il rendimento di una macchina ideale; nel caso avessimo a che fare con una macchina reale, il numero r sarebbe più piccolo (a volte di molto) di quello ottenuto per la macchina ideale.

Un esempio può servire ad illustrare meglio quanto detto. Vogliamo calcolare il rendimento di una locomotiva a vapore che ha una caldaia che porta l’acqua alla temperatura di 127° C (= 400 °K), sapendo che la temperatura della sorgente fredda (ambiente) è di 27 °C (= 300 °K). Si ha:

            Ebbene, sì: l’esempio da noi fatto, che non si discosta molto dalla realtà, ci dice che solo il 25% del calore che noi forniamo diventa lavoro meccanico. E questo nell’ipotesi che la nostra locomotiva sia una macchina ideale di Carnot. Ciò evidentemente non è, e quindi il rendimento di una tal locomotiva sarà sempre certamente inferiore al 25%. Come si vede il concetto di rendimento (del primo ordine) è estremamente utile per capire che uso stiamo facendo di un dato com­bustibile. Esso ci può inoltre far capire il modo di migliorare le cose. Nell’esempio fatto, poiché è molto dispendioso abbassare la temperatura della sorgente fredda (per far ciò occorre disporre di un apparato che consuma energia e che ha un suo rendimento), dovremo accontentarci di aumentare la temperatura di lavoro del fluido presente nella macchina. Ma alte temperature significano alte pressioni e quindi contenitori a pressione più massicci, più pesanti. Occorrerà quindi aumentare la temperatura compatibilmente con gli altri parametri in gioco (se, ad esempio, l’aumento di 10 °C di temperatura dovesse comportare il raddoppio del peso della locomotiva ed un suo aumento di prezzo del 50%, state tranquilli che ci si accontenterebbe del rendimento suddetto. Vi sono poi altre compatibilità legate al tipo di materiale con cui è fatta una macchina perché, ad esempio, con l’acciaio non si possono superare i 600 °C).

             Il concetto di rendimento è stato molto utile e largamente utilizzato e molto redditizio in termini «economici». Risolve tutti i problemi ? Per capirlo è stato necessario passare attraverso una delle ultime crisi energetiche, quella del 1973. E, proprio nel 1974, vi sono state delle importanti novità. La termodinamica che dormiva quieta e soddisfatta dei numerosi successi che per suo tramite erano stati conseguiti, si è bruscamente risvegliata con una impennata che riguarda proprio il concetto di rendimento.
            Supponiamo di voler schiacciare una noce. Né il primo né il secondo principio della termodinamica ci impediscono di farlo con un maglio a vapore. Calcoliamoci, con le formule ora viste, il rendimento del maglio: supponiamo sia del 30%. Ed allora andiamo a schiacciare la noce. Benissimo, ma qualcuno può obiettare che abbiamo impiegato male l’energia perché non abbiamo lavorato con una macchina che ci da il massimo rendimento possibile, relativamente ad un maglio ideale (che lavori con un ciclo di Carnot) che prevede, ad esempio, un rendimento del 45%. Ed allora, poiché bisogna risparmiare energia, occorre lavorare per migliorare quel rendimento del 30% e portarlo sempre più vicino a quello ideale del 45%. Ci costruiamo un maglio più sofisticato: abbiamo eliminato al massimo gli attriti, lavo­riamo con un fluido che si avvicina molto a quello ideale, facciamo fare le trasformazioni nel modo più lento possibile. Siamo ad un rendimento del 40%. Ottimo risultato: ora nessuno ci potrà più dire che sprechiamo energia per schiacciare la noce! Ma c’è qualcuno, che fino ad ora non ha detto nulla perché sentiva parlare solo grossi tecnici e perché pensava di lire cose ridicole, che timidamente dice: «Scusate, ma non era più semplice usare uno schiaccianoci?» Questa favoletta non è assurda come potrebbe sembrare. Essa rispecchia in modo abbastanza fedele la situazione nella quale noi oggi ci troviamo ad utilizzare gran parte dell’energia: schiacciamo noci con un maglio e giriamo con una Ferrari dentro Roma, (e neanche a pensare che tutto ciò sia una scelta individuale del singolo cittadino). In sostanza si tratta di questo: l’uso che noi facciamo dell’energia è il più appropriato per gli scopi che ci prefiggiamo? Per rispondere a questa domanda è stato introdotto, da alcuni fisici statunitensi della società Americana di Fisica (APS), un altro tipo di rendimento, chiamato del 2° ordine, per distinguerlo dal precedente. Il rendimento del secondo ordine ci da informazioni sulla bontà delle nostre scelte nell’uso di una determinata fonte energetica. Esso permette di passare da un fattore di quantità (rendimento del 1 ° ordine) ad un fattore di qualità. Vediamo di cosa si tratta, riferendoci ai lavori originali in cui i fisici dell’APS trattano la questione.
            Dopo aver spiegato che il problema principale che intendono affrontare è un migliore uso dell’energia anche attraverso l’educazione dei consumatori, i fisici dell’APS affermano di aver concentrato il loro lavoro su tre categorie di usi finali di energia: la casa, l’automobile ed i processi industriali. Come ottenere un uso più efficiente dell’energia? «L’uso del primo principio della termodinamica è inadeguato per fornire il minimo percorso energetico adatto al conseguimento di una data prestazione mediante qualsiasi dispositivo o sistema. Sappiamo che l’energia non si perde; dal punto di vista del primo principio il compito di minimizzare i consumi di energia appare essere principalmente un compito finalizzato ad accumulare la maggiore quantità possibile di energia. Ma noi sappiamo anche che, in ogni processo che coinvolge del calore, le limitazioni del secondo principio della termodinamica, dell’inesorabile aumento dell’entropia, usualmente garantiscono che non tutta l’energia può essere trasformata in modo utile (…). Noi abbiamo trovato che una misura più utile dell’efficienza è il rendimento del secondo ordine definito, per un dispositivo o sistema che debba trasferire lavoro o calore (non ambedue), come:

            Da questa definizione discende come conseguenza che il massimo valore di e è 1 in tutti i casi. Il numeratore poi, nel rapporto ora definito, è lo stesso che si ha nel rendimento del primo ordine. Il nuovo denominatore rappresenta un semplice ma fondamentale cambiamento perché introduce direttamente nella definizione di rendimento le leggi della termodinamica. Il massimo che compare nel denominatore vuol ora dire il massimo teorico permesso dal primo e dal secondo principio della termodinamica. Si noti che si tratta della massima prestazione, non del massimo che si può ottenere da un dato dispositivo.
            Il rendimento del secondo ordine permette immediatamente di riconoscere la qualità della prestazione di qualunque dispositivo relativamente a quello che esso dovrebbe idealmente essere, mostrando come, in teoria, vi sono molte possibilità di miglioramento. Esso misura lo spreco di combustibile (parte del quale è, naturalmente, inevitabile). Per ogni prestazione specifica che richieda calore o lavoro, il massimizzare e equivale a minimizzare il consumo di combustibile. Nel caso in cui non sia in gioco il consumo di combustibile — come quando si ha a che fare con impianti idroelettrici, impianti a vento, campi geotermici o collettori solari — il massimizzare e ha una ricaduta sull’investimento di capitale nelle unità produttrici di potenza. Inevitabilmente, quindi, la massimizzazione di e diventa materia per considerazioni politiche.
            Si tratta di un obiettivo tecnico, che si accompagna ad obiettivi economici, ambientali e di conservazione dell’energia, che deve essere conseguito». Cerchiamo di capire meglio iniziando con il dare un’altra definizione di rendimento del secondo ordine:

        Supponiamo ora di voler riscaldare una stanza utilizzando una caldaia, ad esempio, a gasolio. La situazione è illustrata nella figura seguente:

del combustibile viene bruciato ad una temperatura di circa 1000 °C (1273°C). L’acqua calda viene poi inviata ad un termosifone dove la temperatura è intorno agli 80 °C (353°K). Il risultato è il riscaldamento della stanza a circa 20 °C (293   °K), con una temperatura dell’ambiente esterno di 7 °C (280 °K). Se ci facciamo il conticino (è facilissimo ma ora non conviene interrompere il discorso) troviamo un rendimento r incredibilmente buono, intorno al 60%. Se facciamo la stessa operazione per il rendimento e del secondo ordine troviamo invece 3,6% !!! È un risultato clamoroso: utilizzare del gasolio che brucia 1000 °C per riscaldare un ambiente a 22 °C è un vero e proprio scempio energetico! Una strage termodinamica. Il calore ad elevata temperatura è energia di estremo pregio: essa è in grado di darci un’altra energia di gran pregio, il lavoro meccanico. Al contrario, il calore a bassa temperatura è energia molto poco pregiata: essa non riesce a darci lavoro meccanico. Perché allora sprecare in questo modo l’energia pregiata? Una serie di possibili risposte le possiamo solo accennare, tenendo conto di quello che anche i fisici dell’APS ammettono (discutere del rendimento del secondo ordine è discutere di politica): mancanza di volontà politica, interessi economici, consuetudini, pigrizia mentale, non conoscenza dei problemi, costi iniziali elevati.
Ma torniamo al rendimento del secondo ordine e chiediamoci cosa si può fare per riscaldare una stanza ai 20°C. Sembra si debba utilizzare energia a più bassa temperatura come quella che forniscono gli impianti di cogenerazione e teleriscaldamento (recupero dell’acqua già utilizzata come vapore per far funzionare una turbina di una centrale elettrica) o i pannelli solari piani. Se ci facciamo lo stesso conto di prima sostituendo al bruciatore a gasolio dei pannelli solari che lavorino, ad esempio, a 45°C (318°K) e con un rendimento r = 80% (la parte mancante è dovuta a perdite di calore nelle tubazioni) per il rendimento del secondo ordine troviamo e = 34%.

            Come si può vedere, quindi, con un uso appropriato della fonte energetica, il rendimento del secondo ordine sale enormemente. Ma noi abbiamo fatto solo un esempio: i fisici dell’APS ci forniscono dei dati più completi ed interessanti a confronto con i rendimenti del secondo ordine di alcuni impianti solari (riportati nella tabella seguente).
 

(N.B.) – I valori dati sono spesso mediati poiché, come sappiamo, i rendimenti r ed e dipendono dalle differenze di temperatura tra le sorgenti calda e fredda.

           Guardando la tabella, si può notare che i rendimenti del primo e secondo ordine, praticamente, coincidono per la produzione di energia elettrica e meccanica. Cosa vuoi dire? Ambedue queste forme di energia sono estremamente pregiate; per la loro produzione occorre un’energia egualmente pregiata, quella contenuta nel calore ad alta temperatura. Come già accennato, per la produzione di calore a bassa temperatura, quello che serve per riscaldare ambienti o per avere acqua calda nello scaldabagno, è completamente errato l’uso di energia pregiata (alte temperature, energia elettrica, energia meccanica,…). L’energia (o il calore) a bassa temperatura è un qualcosa di scadente che si ottiene con gran facilità; per ottenere quindi calore a bassa temperatura occorre utilizzare fonti di calore che non superino i 120÷130°C. Quando il salto tra la temperatura che ci occorre e quella che viene utilizzata è piccolo allora, possiamo star certi, abbiamo un rendimento del secondo ordine relativamente alto.

            Si può poi osservare che, a volte, l’uso della fonte energetica appropriata può permettere l’aumento di un fattore 10 del valore del rendimento del secondo ordine. L’esempio che abbiamo precedentemente visto è un esempio di quanto vado dicendo: nel caso in cui si procedeva al riscaldamento di un ambiente mediante un sistema collegato ad una caldaia a gasolio si otteneva e = 3,6%, nel caso in cui per lo stesso scopo si utilizzavano pannelli solari si otteneva e  = 34%. Che vuol dire ciò? Se pensiamo le cose in termini di energia scopriamo che la disponibilità energetica aumenta di circa 10 volte; se le pensiamo in termine di combustibile le cose diventano del tutto diverse: nel caso della caldaia c’è il consumo di una fonte energetica non rinnovabile, nel caso dei pannelli solari, per ottenere la prestazione in oggetto non dobbiamo consumare nulla che non si ricrei immediatamente. Ma, volendo anche escludere i pannelli solari, il riscaldamento domestico e dell’acqua si può certamente ottenere con il recupero del calore di scarto di svariati impianti industriali, centrali termoelettriche od altro. Questi impianti scaricano normalmente verso l’ambiente esterno notevoli quantità di energia sotto forma di acqua a bassa temperatura tra i 25 ed i 40°C. È proprio ciò che serve per l’uso che ci proponiamo. Impianti di cogenerazione e teleriscaldamento possono utilmente servire allo scopo. Risolte tutte le compatibilità tecnologiche, resta da risolvere quelle economiche e politiche. C’è ancora un’altra osservazione relativa, questa volta, al confronto tra il rendimento del primo ordine con quello del secondo ordine. Riferendoci ancora all’esempio fatto, si può vedere che i due rendimenti, nel caso in cui per riscaldare il nostro ambiente utilizzavano la caldaia alimentata a gasolio, valevano rispettivamente r = 60%, e  = 3,6%. Poiché il rendimento del primo ordine ha come referente il primo principio della termodinamica, ci da un’informazione diversa dal rendimento del secondo ordine, che ha come referente il secondo principio: r ci dice che il massimo risparmio teorico che possiamo realizzare è del 40%; e  ci dice che il massimo risparmio teorico che possiamo realizzare è del 96,4%. E, da tutto ciò che abbiamo detto, si dovrebbe essere capito che il rendimento del secondo ordine prevede un intervento in più sugli impianti consumatori di energia: è l’impianto adeguato al fine che ci proponiamo? E non basta migliorare i rendimenti r delle macchine, occorre anche provvedere a sostituirle quando altre macchine raggiungono lo stesso scopo con minor impiego di energia. Gli interventi su e a livello dell’Unione Europea sono stati oggetti di studio approfondito nel 1976 con proiezioni all’anno 2000 (sono passati 30 anni ed oggi possiamo verificare quanto erano giuste quelle proiezioni). Si sono ipotizzati tre modelli di crescita della domanda di energia primaria: il primo basato su un «modello inerziale», le cose andranno così come sono andate fino ad ora; il secondo con una politica di in­terventi su r; il terzo con una politica di interventi su e. Alla base di tre modelli c’erano ipotesi comuni: stesso incremento annuo di popolazione (0,8%), del numero di autovetture (3,6%), del prodotto nazionale lordo (4%). I risultati sono riportati sul grafico che segue che, mi pare, parli da solo: con gli interventi su e, nell’anno 2000 sarebbe occorsa circa un terzo (!) dell’energia che occorrerebbe marciando con il modello inerziale. Ma non si è fatto nulla.

VISIONE MICROSCOPICA DEGLI STESSI PROBLEMI: L’ENTROPIA

                    Torniamo un poco indietro per capire meglio alcune cose e per introdurre nuovi concetti che ci saranno utili.

               Alla base della non esatta comprensione del principio di conservazione dell’energia c’è una complicazione sorta in connessione agli studi sulle macchine a vapore. Questa difficoltà derivava dal fatto che vi è un qualche cosa di asimmetrico nella trasformazione dell’energia: mentre tutta l’energia meccanica può trasformarsi in calore senza alcun residuo, l’opposto non si verifica mai; così quando si fornisce del calore ad una macchina a vapore, solo una parte di questa energia può essere impiegata per far girare l’albero ed un residuo inevitabile deve essere scaricato sotto forma di calore perduto nel condensatore della macchina.

              Vi è poi un altro problema: occorre capire che il calore è movimento. La cosa era già stata intuita da Galileo ma soltanto con Rumford (1800) si cominciò  a lavorare  su questa ipotesi.

              L’enunciazione del primo principio non aiutava a capire l’asimmetria cui abbiamo accennato. A questa asimmetria, con opportuna sistemazione, si è dato il nome di secondo principio della termodinamica. Il primo enunciato di  questo secondo principio è dei  primi anni della seconda metà dell’Ottocento ed è dovuto a Clausius:

               “È impossibile  realizzare  una  trasformazione  il  cui unico risultato sia quello di far passare del calore da un corpo più freddo ad uno più  caldo”

             Il fatto che il secondo principio ci dica che il calore passa dai corpi caldi a quelli freddi o che una macchina termica non funziona se non dispone di due sorgenti a diverse temperature, non ci aiuta a capire l’origine dell’asimmetria: semplicemente si prende atto di un dato dell’esperienza.

            Fu ancora Clausius (con vari contributi di Maxwell, Boltzmann, Kelvin, …) che ricorrendo alla teoria cinetico molecolare, cioè al punto di vista microscopico, riuscì ad aprire la strada ad una più completa comprensione del 2° principio. Nelle trasformazioni del calore in altre forme di energia egli ebbe cura di distinguere tra la frazione di calore che può apparire sotto forma di energia meccanica e quella che deve essere scartata come calore perso. La frazione di calore che si trasforma in energia meccanica la chiamò energia libera, mentre chiamò entropia la frazione di calore che non si trasforma e che pertanto risulta persa (rimanendo nel sistema a temperatura più bassa).

          Capire cos’è entropia è capire il 2° principio (e non solo, come vedremo). Per  far ciò occorre rifarsi al punto di vista  microscopico andando a vedere cosa succede ai singoli atomi che costituiscono un dato sistema termodinamico quando si effettua una trasformazione di lavoro in calore e viceversa.

         Consideriamo due esempi: l’energia meccanica di un proiettile che, andando ad urtare su di una lastra d’acciaio, diventa calore e  l’energia meccanica delle ruote di un treno che, quando vengono frenate, si riscaldano. Seguiamo con le figure 1 e 2 il comportamento degli atomi dei due sistemi prima che essi vadano ad urtare o frenare (quando hanno solo energia meccanica) e subito dopo l’urto o frenata (quando hanno solo energia termica). Risulta evidente che, fintantoché c’è energia di movimento, tutti gli atomi seguono ordinatamente quel movimento; quando il movimento cessa e si trasforma in calore, tutti gli atomi si muovono disordinatamente in tutte le direzioni (si noti che il fenomeno interessa anche la lastra d’acciaio e la rotaia e, più in generale, ogni volta che si produce un dato fenomeno naturale esso è sempre accompagnato dal riscaldamento di tutti gli oggetti interessati al fenomeno). Se ora pensassimo di scaldare e il proiettile

Figura 1

 Figura 2

schiacciato e la ruota frenata, cosa vi aspettereste ?  A questo punto non è più possibile pensare che il proiettile si rimetta in marcia all’indietro e neanche che la ruota si rimetta a camminare. Qual è l’effetto del riscaldamento, allora, degli oggetti di figura 1 e 2 ? Riscaldare significa fornire energia cinetica (movimento) ai singoli atomi e pertanto questi ultimi si muoveranno con maggiore velocità in tutte le direzioni e, se possibile, più disordinatamente.

       Facciamo un esempio macroscopico per capire meglio questo aspetto. Supponiamo di avere una tazza con dentro un mucchietto di zucchero a destra ed un mucchietto di cacao a sinistra. Prendiamo  un cucchiaino e giriamo cinquanta volte in verso orario dentro la tazza (avendo cura di muovere il cucchiaino piano piano e sempre radente al bordo della tazza). Che cosa abbiamo ottenuto ? Un miscuglio omogeneo di zucchero e cacao.

Figura 3

       Prendiamo ora questo miscuglio ed operiamo su di esso in modo esattamente inverso: giriamo il cucchiaino cinquanta volte in verso antiorario dentro la tazza (avendo cura di muoverlo piano piano e sempre radente al bordo della tazza). Che cosa abbiamo ottenuto ? Se qualcuno si aspettava un mucchietto di zucchero a destra ed uno di cacao a sinistra ha sbagliato: quello che abbiamo è, se possibile, un miscuglio ancora più  omogeneo.

        Quanto stiamo dicendo può essere semplicemente spiegato ricorrendo ai concetti di reversibilità ed irreversibilità.         

        Le trasformazioni che abbiamo preso in considerazione sono tipiche trasformazioni irreversibili ed i tentativi che noi facevamo per ricostruire la situazione precedente partivano dal presupposto che esse, invece, fossero reversibili. Una trasformazione è reversibile quando si svolge in modo tale che, alla fine del processo, sia il sistema sia tutto ciò che ha avuto relazione con esso durante la trasformazione possono essere riportati alle condizioni iniziali, senza modificare nulla in tutto il resto dell’universo (una trasformazione è reversibile solo quando avviene lentissimamente e non è accompagnata da effetti dissipativi, quali attriti e cose del genere). Ci vuol poco a convincersi che in natura non esistono trasformazioni reversibili e cioè che la natura, ci offre solo trasformazioni irreversibili. Si può certamente lavorare in modo da avvicinarci sempre di più alla reversibilità, ma nella convinzione che una trasformazione reversibile non esiste.

        Solo quella parte della fisica che va sotto il nome di “Meccanica” offre una quantità di situazioni reversibili, ma tutte frutto di notevoli astrazioni: ‘supponiamo che non vi sia attrito‘; ‘supponiamo di avere una massa, puntiforme‘; ‘supponiamo di avere una molla senza peso‘; ‘un filo inestensibile‘; ‘un urto perfettamente elastico‘; … Proprio per questo  la meccanica offre una singolarità di  grande importanza in relazione alle considerazioni che stiamo facendo; le sue equazioni sono simmetriche rispetto al tempo. In esse si può sostituire, in luogo del tempo t, il valore – t e tutto funziona regolarmente alla rovescia. Tutto è cioè reversibile. Infatti, per la determinazione dello stato di moto di un corpo rigido, la meccanica richiede solo che siano dati la sua posizione e la velocità del suo baricentro. Pertanto, da un punto di vista meccanico, avere 1’universo è avere un numero enorme di atomi con le loro posizioni e velocità. Elaborando matematicamente l’insieme di queste variabili  si potrebbe, teoricamente conoscere dove evolve e cioè qual è il futuro del1’universo e, cosa clamorosa, dal fatto che le equazioni della meccanica sono simmetriche rispetto al tempo, si potrebbe ricostruire tutto il passato dell’universo (e non solo materiale) fino alle origini. In fondo si tratterebbe solo di studiare una quantità di urti (!).

            Queste stesse considerazioni fece Laplace agli inizi dell’ 800 (quando la termodinamica ancora non esisteva). Egli infatti sostenne, nel suo “Saggio filosofico sulla probabilità” (1814): 

“Dobbiamo dunque considerare lo stato presente dell’universo come l’effetto del suo stato anteriore e come la causa del suo stato futuro. Un’Intelligenza che, per un dato istante, conoscesse tutte le forze da cui è animata la natura e la situazione rispettiva degli esseri che la compongono … abbraccerebbe nella stessa formula i movimenti dei più grandi corpi dell’universo e dell’atomo più leggero; nulla sarebbe incerto per essa e l’avvenire, come il passato, sarebbe presente ai suoi occhi “.

Ma poiché questa Intelligenza non c’è, conclude Laplace, occorre far ricorso alla “probabilità” che ci permette di descrivere in modo più semplice il comportamento di una moltitudine di oggetti.

        Tornando alla reversibilità (prima di vedere come anche noi dovremo far ricorso alla probabilità) certamente avrete visto più volte dei filmati proiettati a marcia indietro. Il film che illustra un fenomeno meccanico lo si può vedere in un verso od in senso inverso senza accorgersene o, comunque, senza che la cosa ci risulti strana o ridicola. In altri fenomeni, invece, e sono praticamente la totalità, vedere proiettato un filmato alla rovescia certamente ci lascerebbe interdetti o, quantomeno, ci farebbe ridere.               

        Se pensiamo all’urto di due palle da biliardo (o all’oscillazione di un pendolo) e quindi immaginiamo il fenomeno avvenire alla rovescia, tutto torna e la cosa ci funziona.

        Pensiamo invece ad una bottiglia che cade da un tavolo. Essa va giù e, toccando il suolo si rompe in molti pezzi. Proviamo a vedere la scena alla rovescia. Niente da fare, non riusciamo a pensare a tanti pezzi di vetro che si rimettono insieme rifacendo una bottiglia (!); e che quindi la bottiglia ricostruita parta dal suolo, con grande slancio, per andarsi a posare delicatamente sul tavolo.

       Mentre nel primo caso, ad un’osservazione superficiale o parziale, non è possibile stabilire un ordine tra gli avvenimenti, nel secondo caso c’è un ordine ben preciso: gli eventi si svolgono in un ordine determinato. E questo è valido per tutti i fenomeni naturali (se si pensa bene anche per le palle da biliardo o per un pendolo c’è un ordine di tempo: se guardiamo con attenzione tutto il film possiamo osservare che le palle prima hanno grandi velocità e poi sempre più piccole, finché tutto si ferma).  

        E’ interessante scoprire che le cose, in natura, vanno come il tempo: tutte in un verso.

         Ma è possibile scoprire qual è questo verso ?

       Supponiamo di avere due pentole d’acqua a temperature differenti. Mescoliamo l’acqua. La situazione finale è che  il miscuglio d’acqua, spontaneamente, si porta ad una temperatura intermedia tra le due iniziali.

       Supponiamo di avere un recipiente diviso in due settori, messi in comunicazione da un piccolo foro fornito di tappo. All’inizio del processo uno dei due settori sia pieno d’aria e nell’altro sia stato fatto il vuoto. Se togliamo il tappo l’aria spontaneamente diffonderà nel settore vuoto di modo che, alla fine del processo, essa sarà ugualmente distribuita nei due settori.

       Supponiamo di avere un corpo caldo ed un corpo freddo. Mettendoli in contatto, per il sistema formato dai due corpi, troveremo una temperatura intermedia: spontaneamente del calore si è trasferito dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa.

       A ben guardare, soprattutto quest’ultimo esempio, ci fa intendere che stiamo parlando del 2° principio della termodinamica.

       C’è dunque una direzione verso cui gli avvenimenti tendono e, forse, proprio l’interpretazione microscopica del 2° principio può aiutarci a capire qual è questa direzione.

       Un qualsiasi stato di un sistema è sempre caratterizzato dalla sua energia interna: i suoi atomi sono in moto a determinate velocità dipendenti solo dalla temperatura cui il sistema si trova. Abbiamo visto che i processi naturali comportano. alla fine, un riscaldamento di tutti gli oggetti appartenenti al sistema che subisce la trasformazione. Abbiamo anche detto che una situazione in cui si sviluppa calore comporta un disordine maggiore nel moto delle molecole. E poiché, in tutte le trasformazioni che avvengono in natura, in un modo o nell’altro, si sviluppa del calore, si può dire che: in tutte le trasformazioni naturali aumenta il disordine nel moto delle molecole del sistema che subisce la trasformazione.

       Per capire meglio occorre dare un significato più preciso alla parola disordine. Nella figura 4 è riportato un contenitore diviso in due parti da un setto mobile. In ciascuna parte in cui è diviso il recipiente vi sono molecole di un gas diverso. Se togliamo il setto divisorio le molecole si saranno spontaneamente mescolate come in figura 5. Si può certamente dire che la configurazione di figura 4 è più ordinata di quella di figura 5.

                                                         Figura 5

        D’altra parte, se pensiamo agli esempi fatti più su, anche il mescolare acqua calda e fredda comporta il passaggio da una situazione ordinata (acqua calda da una parte ed acqua fredda dall’altra)  ad una disordinata (acqua mescolata); anche il mettere in comunicazione un contenitore pieno di gas con uno vuoto comporta il passaggio da una situazione ordinata ad una disordinata;  anche la messa in contatto di un corpo caldo con uno freddo comporta la stessa cosa. A disordine si può dare il significato di stato più probabile. 

        Prima spieghiamo questa affermazione affidandoci al senso comune, passeremo poi a qualche definizione più precisa.

          In casa vostra, nella camera dei bambini, dov’è più probabile trovare una penna, un giocattolo, una spilla. Se rispondete  “al loro posto”  vuol dire che non avete bambini. Lo stato più probabile è certamente il più disordinato. Ma non serve andare nella camera dei bambini, basta pensare ad una cucina o ad una qualunque stanza. Qualunque persona lavori in casa sa che il problema non sta nel mettere in disordine (fatto spontaneo), ma nel mettere in ordine (tant’è vero che, a volte, si paga qualcuno per farlo).

       Se prendete un mazzo di carte sistemato in un qualche cassetto di casa vostra (supposto che la casa sia ordinata !) qual è la probabilità di trovare tutte le ‘coppe‘ con le ‘coppe‘, le ‘denari‘ con le ‘denari‘, ecc., e di averle in fila (1,2,3,…) ? Credo si possa rispondere che ciò è quasi impossibile: le carte ‘preferiscono‘ sistemarsi nel modo più disordinato che è il più probabile. Ma – e qui arriviamo al nocciolo del problema – perché è più probabile che siano mescolate ? Perché il mescolamento lo si può ottenere in un numero enorme di modi (prima il 7 di bastoni, poi il 3 di spade, quindi il 5 di denari, …; oppure: prima il 2 di coppe, poi il 9 di spade, quindi l’asso di bastoni, …; oppure: …; oppure: …; …), mentre l’ordine lo si può ottenere in un solo modo (1,2,3,… di coppe; 1,2,3,… di denari; 1,2, 3,… di spade; 1,2,3,… di bastoni).

       Per questo, lanciando una coppia di dadi, è più probabile che venga il 7; questo numero può essere ottenuto con un numero di combinazioni (l+6; 2+5; 3+4; 4+3; 5+2; 6+l) maggiore (6) di quello occorrente per qualunque altro numero (ed in particolare ottenere il 2 è tanto difficile quanto ottenere il 12; ambedue i numeri possono essere ottenuti in un solo modo). Sempre per lo stesso motivo, giocando la schedina, è più probabile fare l’otto od il nove che non lo zero (e, naturalmente, il 13).

       Allo stesso modo per gli atomi che costituiscono un sistema.

       Pensiamo ad un miscuglio di due gas in un recipiente; ci stupiremmo molto se, ad un dato istante, trovassimo tutte le molecole del gas 1 da una parte (magari offese) e quelle del gas 2 dall’altra. E se invece disponessimo di un solo gas in un recipiente diviso da un forellino in due zone A e B, ci parrebbe strano che questo gas si andasse a sistema re tutto in una zona (ad esempio la A). Si possono dare dei numeri relativi a quest’ultimo esempio.

Nella tabella  è riportato: nella prima colonna, il numero di molecole costituenti il gas; nella seconda colonna, la probabilità dello stato con  tutte le molecole in A, nella terza colonna, la probabilità che le molecole siano distribuite uniformemente in A e B. Come si vede, al crescere delle molecole costituenti il nostro sistema, cresce enormemente la probabilità di distribuzione uniforme (mentre quella non uniforme rimane costante). Se si pensa che le molecole costituenti un gas non sono 100, ma dell’ordine di 10²³ (numero di Avogadro), ci si può, almeno lontanamente, rendere conto di quale numero, in questo caso, dovrebbe comparire nella terza colonna.

        Pensiamo ora ad un altro esempio che ci fa intendere alcune delle cose dette a proposito delle figure 1 e 2.

        Supponiamo che, ad un dato istante, gli atomi che costituiscono un sasso ‘decidessero‘, tutti, di dirigere le loro velocità in un verso determinato. Il fatto che tutti gli atomi dirigano le loro velocità in un solo verso comporta che la somma di queste singole velocità atomiche è un’unica velocità del sasso nello stesso verso di quello degli atomi. Se questo accadesse noi potremmo tranquillamente passare i pomeriggi, seduti su una panchina del parco a vedere saltellare i sassi. No, le cose non vanno cosi. Per orientare tutte le velocità degli atomi in un unico verso ci vuole un intervento esterno, ci vuole del lavoro fatto dall’esterno (si pensi che in un solo pezzettino di sasso vi sono 10²³ atomi !!).

       Su queste esemplificazioni si potrebbe proseguire all’infinito,  ma ora ci fermiamo per ricapitolare un poco e, soprattutto, per cercare di rispondere a quella domanda, lasciata in sospeso, sulla ‘direzione dei processi naturali‘.

       Abbiamo visto che: in natura si tende allo stato più probabile (quello che si può ottenere microscopicamente nel maggior numero di modi); lo stato più probabile è quello più disordinato. Se mettiamo insieme questi due risultati con gli altri che avevamo trovato, e secondo i quali in tutti i processi naturali parte dell’energia in gioco si trasforma in calore (2° principio della termodinamica) scopriamo che: in qualunque forma si abbia dell’energia, essa, in natura, tende a trasformarsi in calore poiché questa è una situazione cui compete maggiore disordine ed è quindi più probabile (quando dell’energia passa da altre forme a quella termica si usa dire che essa si è degradata). Quanto detto ci fa comprendere il perché l’irreversibilità presiede i processi naturali: una trasformazione di un sistema comporta sempre un grado maggiore di disordine degli atomi che lo costituiscono; la trasformazione inversa prevedrebbe il passaggio da uno stato disordinato ad uno più ordinato che, come sappiamo, è molto improbabile.

      Il calore è quindi energia disordinata, mentre le altre forme di energia sono energie ordinate. In natura sono favoriti i passaggi più probabili quelli, cioè, da energie ordinate ad energie disordinate. Per questo tutto tende ad “andare in calore” ed è estremamente improbabile che del calore vada spontaneamente in energia meccanica.

       Se cosi fosse sarebbe allora possibile che le molecole del mare si organizzassero in modo da trasformare la loro energia cinetica disordinata nell’energia meccanica ordinata che permetterebbe a tutte le navi di marciare gratis all’infinito (si osservi che l’energia che si può prelevare da1 mare è proprio quella delle situazioni più ordinate possibili: correnti, maree, differenze di temperatura tra strati superficiali e profondi, …).

       Possiamo a questo punto trarre una prima conclusione: entropia è sinonimo di disordine (questo modo di vedere il problema fu introdotto da Helmholtz nel 1882). In natura hanno luogo i processi più probabili, quelli in cui si sviluppa calore, quelli in cui il disordine aumenta, quelli in cui l’entropia aumenta. In questo modo di vedere, i sistemi ordinati sono quelli a bassa entropia, mentre quelli disordinati sono quelli ad alta entropia: in natura si preferiscono le trasformazioni da bassa ad alta entropia, tutte quelle in cui l’entropia dello stato finale è maggiore di quella dello stato iniziale, tutte quelle in cui l’entropia aumenta. E proprio quest’ultimo è un altro modo di enunciare il 2° principio della termodinamica: in un sistema isolato possono aver luogo solo quei processi in cui l’entropia aumenta e poiché quelli sono i soli processi possibili, facendo un bilancio tra tutti i possibili processi che avvengono nell’universo, si può anche dire che l’entropia dell’universo aumenta.     

       Che implicazioni ha quest’ultima affermazione ? Dire che l’entropia dell’universo aumenta significa dire che il disordine dell’universo aumenta e, quindi, che tutti i processi che avvengono tendono a produrre calore il quale va, poco a poco, ad accumularsi in quell’immenso serbatoio che è l’universo. Quindi l’energia utilizzata e prodotta in qualunque parte di questo universo scarica in esso una parte di calore.

       In questo universo l’energia non è distribuita in modo uniforme ma con dislivelli. Col passare dei secoli i dislivelli vanno appiattendosi di modo che via via diventa sempre più difficile produrre lavoro. Il principio di conservazione dell’energia (il 1° principio) ne esce salvo: poiché il calore è energia, il bilancio è tale che l’energia dell’universo si conserva. Ma, e qui sta il punto, il calore che via via va producendosi è a bassa temperatura,  è energia disordinata che tende ad una stessa bassa temperatura (non si intenda con questo necessariamente  temperature centigrade negative). Quando fossimo giunti alla situazione in cui tutto l’universo fosse pieno di questa energia, ma tutta alla stessa temperatura, non potremmo più fare lavoro. Sono infatti le differenze di energia, di quota, di temperatura, di …, che ci permettono di ottenere lavoro. Quando la temperatura, anche se elevatissima, fosse tutte, livellata non ci sarebbe neanche più modo di misurarla:  il mercurio del termometro si rifiuterebbe di fare lavoro spostandosi dalla posizione in cui si trova in una più in alto o più in basso e quindi neanche più quel lavoro si potrebbe ottenere. Si tratta della “morte calda” dell’universo e, a meno di nuove scoperte sul comportamento di quest’ultimo, a tutt’oggi ci avviamo verso quella morte (non vi preoccupate ci vogliono ancora miliardi di anni e, nel frattempo, il Sole si sarà spento o, più semplicemente, una banale guerra atomica avrà cancellato questo insignificante punto nello spazio chiamato Terra).

       E’ proprio cosi, è un dato comune della nostra esperienza quotidiana. Mentre vediamo scorrere i fiumi verso il mare, mai abbiamo notato un ruscello che sale verso la montagna (senza che si faccia un lavoro dall’esterno); mentre vediamo i sassi rotolare giù da un pendio, mai abbiamo visto quanto illustrato in figura 6;

Figura 6

mentre vediamo auto che nell’urto si sfasciano, mai abbiamo visto auto malandate che, nell’urto, si rimettono a posto; mentre vediamo una bottiglia cadere e rompersi in mille pezzi, mai abbiamo visto mille pezzi mettersi insieme, formare una  bottiglia e andarsi a sistemare su una mensola; mentre sappiamo che le bombe distruggono, mai abbiamo visto quanto illustrato in figura 7.  E questo perché in natura si tende a situazioni che rendono minima l’energia annullandone

Figura 7

le differenze (altrimenti non si comprenderebbe perché un sasso cade sempre, un fiume scende sempre, un fuoco scalda sempre, del calore si produce sempre,…).

       Ma, attenzione, la termodinamica è anche rispettosa degli stati d’animo: non scoraggia l’ottimismo. Infatti le leggi della termodinamica sono probabilistiche ed ognuna delle cose che prima abbiamo negato recisamente, in realtà la termodinamica non le esclude. Essa dice solo che certi fatti sono estremamente improbabili. Cosi se passando il tempo su quella panchina vedeste, un giorno, saltare un sasso, non preoccupatevi, è previsto! La termodinamica statistica ci permette anche di fare il conto della frequenza con cui può verificarsi un tale evento: uno ogni 10²⁶ anni (!), basta un poco di pazienza ….

      Il concetto di entropia, soprattutto con la sua spiegazione microscopica, è certamente importante; ma lo è di più se si vanno a cogliere alcuni suoi sottili significati.

       Pensiamo al tempo: noi credevamo che fosse l’unica grandezza che avesse un verso determinato ed ora scopriamo che questo verso è, nel tempo, di tutti i fenomeni naturali. E cosi, quando si parla di prima e dopo (fatto che ci definisce il passare del tempo) si può, allo stesso modo ed univocamente, parlare di bottiglia sana – bottiglia rotta.

        Ma diciamo di più.  Quando parliamo, per comunicare con qualcuno, cerchiamo di farci capire (si pensi al problema che avevo di fronte nel momento in cui iniziavo a scrivere questo articolo) e ‘farci capire‘ significa organizzare le parole, i gesti, i toni, l’espressione nel modo più ordinato possibile. Più avremo realizzato una situazione ordinata, più saremo stati in grado di farci capire. E’ facile allora comprendere come informazione ed entropia siano strettamente correlate: più informazione c’è nel mio messaggio, minore è la sua entropia (in questo senso, se avete capito quanto ho fin qui scritto, vuol dire che l’entropia di questo lavoro è bassa, vuol dire che è stato necessario fare una grande quantità di lavoro dall’esterno il quale ha comportato all’esterno, e cioè nella famiglia, nella stanza dove lavoro, nel mio lavoro, un tale aumento di entropia, e quindi di disordine, che il bilancio tra l’eventuale bassa entropia di questo lavoro e l’entropia che ho creato per farlo è, per il 2° principio, a favore dell’aumento dell’entropia dell’universo). Si potrebbe forse capire in questo modo quanto i messaggi di certi organi di informazione e di certi politici  siano ad alta entropia.

        Ma non era solo per raccontare queste piccole cose che ho messo in relazione entropia ed informazione. Nella realtà questa correlazione è estremamente importante per comprendere la qualità, ad esempio, delle varie forme di energia nell’ipotesi che più bassa è 1’entropia di una fonte  energetica,  maggiore  è  il  contenuto di  informazione  che  essa porta con sé (più essa è pregiata).

        Possiamo certamente dire che tra le varie forme di energia quella elettrica è la più pregiata mentre quella termica è la meno pregiata. Ma nell’ambito della stessa energia termica vi sono vari gradi di pregio, di qualità. Ad esempio, l’energia termica a più alta temperatura è molto più pregiata di quella a bassa temperatura proprio perché, a parità di calore scambiato, più alta è la temperatura più bassa è l’entropia. E quest’ultima cosa la si può vedere facilmente dalla definizione macroscopica di entropia:

                  S  =  ENTROPIA  = CALORE / TEMPERATURA = Q / T

  In questa formula c’è scritto che l’entropia (S) è una quantità di calore (Q) ad una data temperatura (T). Più è grande la quantità di calore (a parità di temperatura), più è grande l’entropia; ma (a parità di quantità di calore) l’entropia diminuisce sempre di più quanto più aumenta la temperatura. E ciò vuol dire che il trasferimento di una data quantità di calore comporta meno entropia se avviene a temperatura più alta. Possiamo allora capire perché si hanno rendimenti maggiori quando le differenze di temperatura tra le due sorgenti (Carnot) sono maggiori; all’aumentare della temperatura della sorgente calda, diminuisce l’entropia associata a quel processo.

        In definitiva l’entropia ed il suo aumento rappresentano un fattore di merito delle trasformazioni termodinamiche e possono raccontarci la storia dell’energia che si sta trasformando. L’energia tende ad  ‘invecchiare‘ e questo invecchiamento dipende dall’abbassamento di temperatura e dalla conseguente comparsa di calore: più la temperatura, a cui avviene lo scambio di calore, è bassa, più l’energia è invecchiata e più grande è l’entropia.

        Abbiamo detto che la tendenza generale della natura è verso un aumento dell’entropia dell’universo. Abbiamo anche detto che questo enunciato ha un carattere probabilistico. Accordiamo meglio le due cose anche per capirne altre che sembrerebbero sfuggire al principio di aumento di entropia e cioè di disordine (in pratica si tratta di capire il senso di quel  “in un sistema isolato” che abbiamo letto nell’enunciato dell’aumento dell’entropia).

        Pensiamo a quanto avviene nella fecondazione. Degli spermatozoi molto ‘sparpagliati’ interagiscono con degli ovuli. Uno di questi spermatozoi si fa catturare da un ovulo. Comincia la moltiplicazione delle cellule. E poiché possiamo parlare di “uomo“, sappiamo che queste cellule si moltiplicano in modo ordinato tanto da riprodurre un qualcosa che riconosciamo come “uomo“. Si può anzi dire che una delle forme più alte di ordine che noi conosciamo è proprio la vita (le stesse cose si possono dire per una pianta). Ora, va osservato, che la nascita di una vita rappresenta la costruzione di un qualcosa di più ordinato rispetto al qualcosa che la precede, fatto che sembra violare il principio di aumento dell’entropia.

        La situazione può essere spiegata pensando al funzionamento di un frigorifero. Questa macchina ha la proprietà di raffreddare: le molecole degli oggetti che vi sono contenuti diminuiscono le loro velocità poiché diminuisce la temperatura; si passa quindi a situazioni più ordinate. Certo, se si prendesse in considerazione solo la cella frigorifera, avremmo ben ragione di buttare via il 2° principio. Ma questo principio, come l’abbiamo noi enunciato, sottolineava che certi processi non avvengono spontaneamente, che cioè bisogna fornire del lavoro dall’esterno per ottenerli, ed inoltre, in altro luogo, esplicitamente diceva “in un sistema isolato“. Ebbene quanto avviene nel frigorifero non avviene spontaneamente proprio perché il sistema non è isolato. C’è un motore dietro, alimentato dalla rete elettrica, e questo motore crea molta più entropia nella cucina di quanta ne riduca la cella frigorifera: in modo che, alla fine, il bilancio è sempre favorevole ad   un aumento di entropia (se non credete al fatto che l’entropia creata dal motore è più alta di quella che la cella frigorifera ha ridotto, vuol dire che, chiusa la porta e la finestra della cucina e lasciata aperta la porta del frigorifero, quest’ultimo vi raffredda la cucina come un condizionatore. E quanto questo non sia vero lo sanno tutti quelli che, avendo lasciata aperta la porta del frigorifero, non solo non hanno trovato la cucina più fredda, ma hanno addirittura trovato tutto il contenuto del frigorifero ‘caldo’ – alla temperatura della cucina – e quello del freezer scongelato).

        Allo stesso modo per la vita. Essa rappresenta certamente un’isola di violazione del 2° principio perché è un fatto di per sé altamente improbabile, ma è riconducibile al 2° principio proprio in quanto la vita non è possibile in un sistema isolato» Nel sistema uomo – ambiente, la presenza dell’uomo crea un’entropia molto maggiore della riduzione che la sua nascita ha comportato: da uno studio dell’UNESCO risulta che mantenere in vita e in peso un essere umano sano comporta, ogni anno, la degradazione di 500 Kg di cibo e la diffusione nell’ambiente circostante di 2 miliardi di Joule di energia sotto forma termica.

      Quanto ora detto apre poi ad un altro interessante capitolo:  quello dell’ecologia. Da tutto ciò che abbiamo cercato di spiegare si dovrebbe esser capito che, data 1’inevitabilità dell’aumento dell’entropia, le operazioni: di ‘disinquinamento’ in un dato luogo comportano un inquinamento in un altro (in quello in cui si produce energia per disinquinare; si pensi ad esempio alla grancassa dell’idrogeno: è certamente vero che non inquinerebbe le città ma, nel luogo di sua produzione, creerebbe un gigantesco inquinamento) e, poiché quest’altro luogo si trova sempre sulla Terra, alla lunga non si saprà più dove e come disinquinare. La soluzione di questo problema è un pio desiderio: non si tratta di ‘disinquinare‘ ma di ‘non inquinare‘.

        Ma questa è un’altra storia che ora tenterò di raccontare.

ENTROPIA ED INQUINAMENTO

            È impensabile una fonte energetica che non abbia alcun impatto ambientale. Per il modo stesso in cui viene prodotta energia, per il fatto che in un certo luogo vi sono certi apparati che trasformano le fonti naturali di energia in potenza utilizzabile, proprio per tutto questo occorre considerare che in determinate zone della Terra vi sono macchine, strumenti, apparati tali da modificare il flusso naturale dell’energia. E ciò vuol dire che in alcune zone viene creato un flusso maggiore di energia rispetto a quello naturale. È chiaro comunque che la ‘taglia’ dell’apparato che trasforma la fonte naturale è in gran parte responsabile della maggiore o minore modificazione di questo flusso in un dato luogo. Ed è proprio l’intensità della modificazione che può essere responsabile del maggiore o minore impatto ambientale di una data fonte in un dato luogo. Tanto per fare un esempio, è evidente che un collettore solare piano (la più innocua tra le macchine per la trasformazione di energia) modifica il flusso naturale di energia nel luogo in cui è sistemato: l’energia che altrimenti sarebbe stata in parte assorbita dal terreno ed in gran parte riflessa, viene ora accumulata in percentuale maggiore su una determinata superficie e, nel contempo, sottratta alla superficie terrestre sottostante il pannello. È chiaro che una tale modificazione dello stato di cose appare completamente trascurabile, ma se pensassimo di coprire migliaia di chilometri quadrati di collettori, non c’è dubbio che l’effetto sull’ambiente si farebbe sentire.

            Oltre a questa variazione del flusso naturale di energia, occorre considerare anche un altro effetto che la produzione di energia sulla Terra comporta. Quando, ad esempio, si bruciano combustibili fossili in centrali termoelettriche, oltre a variare il flusso energetico nel luogo della centrale, con produzione di enormi quantità di calore, vengono emesse delle sostanze le cui ultime destinazioni sono l’atmosfera ed il suolo: si tratta essenzialmente di anidride carbonica e vapore d’acqua. Ebbene, la variazione percentuale di queste sostanze (unitamente ad altre sostanze inquinanti), in particolare nell’atmosfera, può produrre degli effetti tanto imprevedibili quanto irreversibili. Consideriamo due esempi limite.

            Supponiamo che la composizione percentuale delle varie sostanze che compongono l’atmosfera vari in modo da aumentare la capacità di assorbimento della radiazione da parte dell’atmosfera medesima; l’atmosfera assorbe più radiazione e ne trasmette meno sulla Terra; come conseguenza la temperatura media della Terra si abbassa e le calotte polari cominciano a dilatarsi; per parte sua il ghiaccio riflette maggiormente la radiazione che non la terra o l’acqua, con la conseguenza che una parte sempre maggiore della radiazione che arriva sulla Terra viene riflessa e non trattenuta; questo fenomeno comporta un ulteriore raffreddamento ed un’ulteriore avanzata dei ghiacci che, alla lunga, può portare ad una nuova glaciazione.

            Supponiamo ora che la composizione percentuale delle varie sostanze che compongono l’atmosfera vari in modo che le percentuali di vapore d’acqua e di anidride carbonica divengano molto più elevate delle attuali e che le fasce di ozono negli strati alti dell’atmosfera vadano assottigliandosi (a ciò aiutano gli aerei supersonici ed i gas clorofluorocarburi dei vari spray e di ogni impianto di condizionamento o raffreddamento); la minor quantità d’ozono permetterebbe il passaggio di una maggiore quantità di radiazione proveniente dal Sole; il vapore d’acqua e l’anidride carbonica (che i processi di produzione industriale ed il sistema dei trasporti stanno facendo aumentare in modo che può diventare irreversibile) presenti nell’atmosfera lascerebbero passare questa radiazione ad onde corte (elevata energia); quando la radiazione viene riflessa dalla Terra, lo fa ad onde lunghe (bassa energia); la radiazione ad onde lunghe non viene fatta passare dal vapore d’acqua e soprattutto dall’anidride carbonica (e da altri gas detti ‘serra’), restando intrappolata (riflettendosi più volte) tra atmosfera e superficie terrestre (si tratta di un gigantesco effetto serra); la temperatura della Terra si innalzerebbe gradualmente con con conseguente fusione di percentuali sempre maggiori dei ghiacci polari; la gran quantità delle terre emerse più fertili (le pianure vicine al mare) verrebbe sommersa, con conseguenze catastrofiche. Ma ormai, i dati sperimentali sembrano dirci che questa seconda la strada sia quella verso cui abbiamo avviato il nostro “unico” pianeta.

            Sono solo due scenari limite ma non fantascientifici, introdotti solo per far comprendere che la situazione bioclimatica della Terra è in uno stato di equilibrio estremamente precario creatosi in milioni di anni. Non è in alcun modo prevedibile cosa possano comportare anche piccole modificazioni operate dall’uomo. Se solo si pensa che alcune zone del mondo (Australia, Texas), una volta molto fertili, sono oggi diventate desertiche solo perché sottoposte in passato a colture intensive, ci si rende conto dell’instabilità dell’intero ecosistema. Se si pensa poi che, attualmente, le regioni di maggior produzione di grano del mondo (USA,  Ucraina, Bielorussia e Russia), quelle che sfamano una grossa percentuale di umanità, sono situate in zone limite da un punto di vista climatico, ci si rende anche qui conto di come anche piccole modificazioni nel clima possano causare disastri inimmaginabili.

            Ci si può, a questo punto e a buon diritto, chiedere: che c’entra l’entropia con l’inquinamento ? Cosa hanno a che fare tutti questi discorsi con il Secondo principio della termodinamica ?

            Ricordiamo che ogni processo naturale tende spontaneamente verso lo stato finale più probabile e che il concetto di entropia si associa a questa tendenza irreversibile mediante l’ affermazione che stato più probabile è quello cui compete la massima entropia. Poiché poi l’entropia è anche sinonimo di disordine e lo stato più probabile è lo stato più disordinato, anche per questa via lo stato più probabile è quello cui compete il massimo di entropia. Questi concetti sono utili quando si voglia procedere ad una classificazione in termini di qualità delle varie forme di energia: le energie più pregiate sono quelle cui compete entropia minore (e ciò vuol dire che le energie più pregiate sono quelle ordinate, come l’energia meccanica, l’energia elettrica ed il calore ad alta temperatura). Al contrario, le energie meno pregiate sono quelle disordinate, che poi si riducono ad una sola: il calore a bassa temperatura.

            Ricordiamo infine che, in natura, c’è la tendenza irreversibile a passare da stati ordinati a stati disordinati, da stati meno probabili a stati più probabili, da stati ad entropia minore a stati ad entropia maggiore, da energie ordinate ad energie disordinate. In ogni trasformazione, appunto, l’energia si degrada, passa da energia di buona qualità ad energia di qualità inferiore. In qualunque trasformazione, infatti, lungo il commino, presto o tardi, si ha a che fare con sviluppo di calore a bassa temperatura che non ha la stessa valenza della fonte primaria e che inevitabilmente deve essere scaricato verso l’ambiente esterno (Carnot). È insito quindi nella produzione di energia lo sviluppo di calore che deve essere scaricato nell’ambiente esterno, con conseguente aumento dell’entropia del sistema Terra (solo per ora considerato come isolato).

            Pensiamo ed esempio alla combustione del carbone: dell’energia primaria viene utilizzata per produrre calore ad alta temperatura; del calore a bassa temperatura viene scaricato verso l’ambiente esterno attraverso il condensatore; parte dell’energia in ingresso va dunque perduta in questo modo (non è ulteriormente utilizzabile per produrre, ad esempio, lavoro meccanico: è energia degradata); altra energia va perduta perché impiegata nella formazione di molecole, come l’anidride carbonica (che hanno minor contenuto energetico della fonte primaria e che quindi rappresentano un’ulteriore degradazione dell’energia); ed in definitiva l’energia utilizzabile, rispetto a quella primaria, è diminuita, mentre l’entropia del sistema è aumentata. Stesso discorso può farsi per un impianto nucleare o di qualunque altro tipo.

            In questo senso le energie del vento, del mare, idroelettrica, possono essere considerate, almeno relativamente all’aumento di entropia ad esse connesso, come pulite. È chiaro che anche qui si deve considerare un qualche riscaldamento delle macchine e delle turbine che trasformano l’energia, ma l’aspetto principale che caratterizza queste fonti è il non passaggio attraverso l’intermediazione termica (con conseguente diminuzione dell’entropia prodotta) per trasformazione da energia pregiata (quella meccanica) ad energia pregiata (quella elettrica). Un discorso analogo si può fare anche per l’energia fotovoltaica e da biomassa.

            Più in generale però, per la produzione di energia, occorre passare attraverso l’intermediazione termica ed in questo caso, ogni volta, si ha a che fare con calore a bassa temperatura scaricato nell’ambiente esterno e, molto spesso, con la produzione di scorie.

            In questo senso l’energia solare è più pulita di quella nucleare o da combustibili fossili: nel caso dell’energia solare non si ha produzione di scorie.

            Le scorie quindi, siano esse calore a bassa temperatura o veri e propri residui solidi, rappresentano quella parte di energia che va ad aumentare l’entropia del sistema Terra.

            Si può sempre pensare, almeno per il calore di scarto in un suo utilizzo ad altri fini (ad esempio cogenerazione e teleriscaldamento, piscicultura, usi agricoli) ma, anche se questo è il modo migliore per intervenire (non vi sono caldaie in altri luoghi che vanno ad aumentare l’entropia del sistema Terra), rimane il fatto che, alla fine dell’intero processo, l’entropia è comunque aumentata. Bisogna anche tenere in conto che le scorie, così come sono, non sono quasi mai utilizzabili: occorrono degli interventi su di esse per aumentarne la qualità energetica e reimmetterle nel ciclo produttivo dell’energia (nel caso della cogenerazione occorre che la temperatura del calore di scarto sia innalzata per procedere al teleriscaldamento; nel caso del ciclo del combustibile nucleare, occorre che le scorie subiscano un trattamento ad altissimo investimento energetico, perché parte di esse possano essere riutilizzabili).

            Altro modo nel quale si può contribuire all’aumento di entropia è lasciare che le risorse energetiche si disperdano nell’ambiente esterno. Avere, ad esempio, una latta di benzina e versarla in Terra, comporta che una risorsa, prima utilizzabile, non lo è più con conseguente aumento dell’entropia e quindi dell’inquinamento. Allo stesso modo lo strato di polvere nera che circonda una centrale termoelettrica a carbone è anche esso carbone non più utilizzabile perché non concentrato in modo utile; l’entropia aumenta e l’inquinamento aumenta. Anche per risorse non energetiche si può fare lo stesso discorso: si pensi alla polvere grigia (cemento) che circonda ampie aree di territorio intorno ai cementifici; quella risorsa (che è costata una enormità in termini di energia necessaria a produrla), così dispersa, non è utilizzabile. Lo stesso discorso può farsi per le milioni di tonnellate di oro e di uranio disperse nel mare.

            In definitiva inquinamento ed aumento di entropia vanno di pari passo e questo fatto è particolarmente evidente nella produzione di energia. Produrre energia significa disperdere nell’ecosistema prodotti che mettono direttamente in pericolo gli esseri viventi, per le loro proprietà chimiche (esempio: anidride solforosa con le conseguenti piogge acide) e per le loro proprietà radioattive (esempio: trizio), e prodotti che indirettamente creano danni incalcolabili all’intero ecosistema (anidride carbonica; calore scaricato in fiumi, laghi e mari che provoca il cosiddetto inquinamento termico).

            Vediamo allora se e come sia possibile intervenire per eliminare o almeno ridurre l’inquinamento.

            Per capire la complessità dei problemi che si devono affrontare iniziamo da una cosa che sembrerebbe di buon senso, disinquinare. Da una parte ecologi in buona fede reclamano provvedimenti di disinquinamento, dall’altra alcuni uomini politici, compromessi con il sistema economico e di potere, fanno pressione perché il Parlamento vari leggi in proposito (vedremo tra poco cosa si nasconda dietro questi ‘nobili’ interventi). Non è facile ma, da quanto detto, si può comprendere come progetti disinquinanti non siano altro che un grande diversivo (che porta ad utili economici fantastici: il grande affare verde o, peggio, le ecomafie) che non solo non risolve i problemi ma, molto spesso, li aggrava. Cerchiamo di capire perché. Abbiamo accennato al Secondo principio; in esso c’è, tra l’altro, scritto che l’irreversibilità è una caratteristica ineluttabile del mondo. Ed in base a questo dato drammatico ciò che si può dire riguardo all’inquinamento è solo che “non bisogna inquinare” e non certo che occorre “disinquinare”.

            I processi di disinquinamento, infatti, comportano in un dato luogo la produzione di macchine o sostanze che operino il disinquinamento in oggetto. Alla luce di quanto sappiamo sull’entropia, ciò significa che in una certa zona della Terra si cerca di operare una rigradazione, un processo che, in quanto tende ad un ordine maggiore, è contrario al Secondo principio, almeno se si pensa di riferirlo al sistema Terra, considerato come sistema isolato. Poiché, infatti, in un sistema isolato in evoluzione (la Terra) l’entropia non può far altro che crescere, è evidente che la produzione di disinquinanti in un dato luogo, per disinquinare un altro luogo, è un processo che non può avere come risultato altro che entropia crescente (e quindi inquinamento crescente) per l’intero sistema. E ciò vuol dire che il disordine (l’inquinamento) creato nel luogo di produzione dei disinquinanti non può che essere superiore all’ordine (disinquinamento) che si crea nel luogo disinquinato. In definitiva, se si fa un bilancio di quanto inquinamento si è eliminato rispetto a quanto se ne è creato per eliminarlo, si scopre che è maggiore 1’inquinamento prodotto. E queste considerazioni non discendono da valutazioni ideologiche ma da ciò che, almeno fino ad ora, è uno dei pilastri della fisica.

            Occupiamoci allora della supposta operazione di disinquinamento di un lago (figura 8). Essa passa attraverso l’immissione di ossigeno nelle acque profonde del lago. Facciamo l’ipotesi che l’ossigeno sia prodotto sfruttando l’energia nucleare (colonna a destra di figura 8, a partire dal basso) e che sia iniettato nelle acque profonde mediante delle pompe azionate da motori diesel (colonna a sinistra di figura 8, a partire dal basso). Si può facilmente intuire che 1a colonna centrale della stessa figura rappresenta gli inquinanti che normalmente vengono rilasciati dal funzionamento di una centrale nucleare e dalla produzione del gasolio che serve ad alimentare i diesel. Ebbene, il disinquinamento del sottosistema lago, comporta l’inquinamento del sottosistema ambiente in cui noi viviamo, che è un ulteriore sottosistema dell’intero ecosistema Terra.

Fig. 8

            Ed a questo punto viene una considerazione molto interessante (R. Bernard – Entropia ed inquinamento – La Fisica nella Scuola, XIV, 3, 1981):

“Il bilancio globale delle operazioni di disinquinamento, così come sono condotte oggi, è molto deludente, sia dal punto di vista fisico che ecologico. Però questo non è vero nel mondo economico dove il disinquinamento, considerato come un nuovo bisogno, dunque un nuovo mercato, dà origine a nuove industrie ed a nuovi materiali. Il ciclo inquinamento-disinquinamento permette al settore privato non soltanto di riconsiderare le proprio scelte, ma perfino offre nuove occasioni di profitto. È quindi ben evidente che trattando le conseguenze sull’ambiente senza modificare il processo di produzione, si arriva all’irrazionalità nella gestione delle risorse: si attinge una prima volta nelle riserve energetiche per i bisogni dell’industria ed una seconda volta per le necessità del disinquinamento”.

            È certamente possibile quindi reclamare dei disinquinanti OGGI (in un dato luogo ed in un dato tempo, per urgenti necessità) ma deve esser chiaro che la strada da battere è, come dicevo, il non inquinamento, il produrre beni ed energia senza inquinare, poiché la Terra tra poco ci starà stretta e sarà insopportabile espandersi in zone distrutte per disinquinare quelle poche che oggi abitiamo (ma le pratiche colonialiste ci hanno abituato anche a questo).

            Quanto qui detto ci permette di tornare su una delle cose che abbiamo lasciato in sospeso qualche pagina indietro, quando abbiamo parlato di Terra considerata come sistema isolato.

            Sappiamo che la Terra non può essere in alcun modo considerata come sistema isolato: essa è inserita nel Sistema solare e proprio dal Sole trae origine il suo moto e la vita che vi regna. Con buona approssimazione, è il Sistema solare un sistema isolato, la Terra no. Ed è proprio il flusso naturale di energia, che ci proviene dal Sole che, in questa sede ci interessa. Il considerare la Terra come sistema isolato, dal punto di vista della produzione di energia, comporta due possibilità: o la Terra si produce da sola l’energia che le occorre (visto che non c’è alcun pianetino vicino alla Terra su cui produrre questa energia); oppure ci serviamo dell’unica possibilità esterna alla Terra, del Sole. In questo secondo caso la degradazione inevitabile (e comunque esistente) ha luogo solo sul Sole. Cosa ha invece scelto l’uomo? Almeno a partire dalla Seconda. Rivoluzione Industriale, egli ha lavorato per rendere isolato il sistema Terra. Come dice Bernard:

“Attualmente il carbone, il petrolio, il gas naturale e – per ora, in misura modesta – l’uranio, forniscono il 92 % dell’energia utilizzata nel mondo. Avendo scelto di vivere quasi soltanto di queste risorse terrestri, gli uomini hanno fatto della Terra un sistema quasi isolato la cui degradazione è diventata inevitabile”.

            È come se producessimo energia elettrica con una centrale termoelettrica al centro della città: l’inquinamento la renderebbe immediatamente inabitabile. La nostra città è la Terra, la nostra centrale termoelettrica è quel 92% dell’energia utilizzata nel mondo, di provenienza termica: l’inquinamento inevitabile si sta allargando a macchia d’olio.

            Per ovviare a queste cose (purtroppo a lungo termine ma cominciando da ora a seguire questa strada, pena il rendere questo pianeta, presto o tardi, un deserto privo di vita, almeno umana), occorre riaffidare la Terra al flusso naturale dell’energia solare che per secoli ha fornito calore, ha rinnovato la fertilità dei suoli, ha prodotto ossigeno mediante fotosintesi, ha messo in moto il ciclo delle acque. È, soprattutto, per ora, una nuova cultura che deve farsi strada ed a tutti i livelli, a partire dalle nostre scuole. Non vi sono palliativi possibili: questa è una questione della massima priorità.

Roberto Renzetti

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