«Questo libro nasce con un obiettivo specifico: usare la termodinamica come paradigma per mostrare che cos’è la scienza in generale, che cosa fa e come la usiamo, come è nata e come può evolvere quando cerchiamo di rispondere a domande sempre più complesse sul mondo naturale. È pensato soprattutto per persone che conoscono poco la scienza, che l’hanno studiata un po’ a scuola o che hanno frequentato corsi del tipo “scienza per tutti” organizzati a volte dalle università». L’inizio della prefazione riportato sopra riflette abbastanza bene il contenuto del libro. Attraverso i primi due capitoli si affrontano i tre principi fondamentali della termodinamica. Mentre il primo principio si occupa di qualcosa che non cambia, ovvero la quantità totale di energia dell’Universo o in una sua parte specifica isolata dal resto, il secondo principio riguarda ciò che non può avvenire: può essere interpretato come una maniera per distinguere ciò che può accadere da ciò che è vietato e come modo per mostrare in quale direzione deve scorrere il tempo. Da qui l’origine del titolo del libro: La freccia del tempo. Il terzo afferma che esiste un limite inferiore alla temperatura, quello che chiamiamo zero assoluto e che questo limite non è mai raggiungibile attraverso un numero di passi finito.
Il terzo capitolo contiene la storia della termodinamica e ci offre un ricco punto di vista su come evolve la scienza e su come spesso si trovi a dover chiarire concetti contrastanti e in conflitto tra di loro. Il quarto capitolo descrive le applicazioni della termodinamica: dalla generazione dell’energia elettrica con le sue forme più efficienti di cogenerazione (Combined Heat and Power, CHP) alla conversione di elettricità in luce visibile dalle lampadine a incandescenza ai Light Emitting Diode (LED). Nel quinto capitolo si affronta il progresso fondamentale della termodinamica nella connessione tra l’approccio macroscopico e la descrizione microscopica del mondo che avviene tramite l’applicazione della statistica nella meccanica statistica. Nel sesto capitolo vengono affrontate le sfide aperte che affrontiamo per ottenere dalla termodinamica nuovi strumenti che ci consentano di spingerci oltre e rispondere a domande sempre più difficili e complesse su come funziona la Natura.
Nel settimo capitolo l’autore ci propone un giudizio su cosa la termodinamica insegna alla scienza in generale. Inizialmente si è sviluppata spinta dalla necessità dei gestori delle miniere di minimizzare la spesa per il combustibile necessario a far funzionare le macchine a vapore che dovevano pompare via l’acqua dalle loro cave. La soluzione di tale problema ingegneristico portò alla comprensione della natura del calore e al riconoscimento della possibilità di convertire tra loro luce, calore, lavoro meccanico ed elettricità. In contrasto con il paradigma ampiamente riconosciuto e accettato che le applicazioni debbano sorgere come conseguenza della teoria, impariamo dall’evoluzione della termodinamica che il flusso tra idee e applicazioni può instaurarsi in entrambe le direzioni. La meccanica classica e quella quantistica affrontano la descrizione dei fenomeni naturali attraverso il comportamento di elementi singoli, che si tratti di atomi, palle da tennis o pianeti. In entrambi i casi le variabili che usiamo sono quelle tradizionali come posizione, velocità, quantità di moto, energia cinetica ed energia potenziale. La termodinamica e la meccanica statistica descrivono la Natura seguendo una strada completamente diversa. Temperatura e pressione sono proprietà di sistemi complessi – tipicamente composti da moltissimi elementi che la meccanica tratta individualmente – e non hanno senso per elementi singoli. Se vogliamo una descrizione per le singole molecole dovremo usare l’approccio microscopico e nel caso del vapore che aziona una macchina termica dovremo usare quello termodinamico macroscopico. «Quindi proprio come la termodinamica è stata collegata alla meccanica statistica attraverso la teoria atomica, anche le altre scienze evolvono attraverso la proposta, la verifica e lo sviluppo di nuovi mezzi per sondare nuovi concetti. A volte si tratta di strumenti sperimentali, il risultato di una tecnologia innovativa o di un uso diverso da quello preesistente; altre volte si tratta di idee inedite, nuovi modi di porre domande o di immaginare e formulare ipotesi sull’origine di ciò che osserviamo, concetti che ci conducono a elaborare teorie che potranno essere convalidate, in definitiva, solo attraverso esperimenti o ulteriori osservazioni».
Stephen Berry
La freccia del tempo
Breve storia della termodinamica
Edizioni Dedalo, Bari 2020
Pagine 139 euro 14,25
Recensione di Renzo Gorla