Relazione di fisica: lezione introduttiva della Termodinamica

Il 6 Maggio la classe IIG ha assistito e partecipato, su iniziativa della professoressa di Matematica e Fisica Mariacristina Pizzichini, a una coinvolgente lezione introduttiva della termodinamica. Questa grande tematica non è stata presentata solo dal punto di vista strettamente didattico, ma è stata fatta luce anche sulle sue significative implicazioni sociali ed economiche. Quest’opportunità è stata fornita da due esperti della materia: Danilo Dominici e Giovanni Mazzitelli, ricercatori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), che hanno gentilmente accolto l’invito della professoressa, tenendo a scuola la suddetta lezione.

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Nello specifico, gli argomenti trattati sono stati i seguenti:

  • la sostenibilità
  • la termodinamica
  • energia, reversibilità, efficienza ed entropia
  • il valore economico (scarti e costi) e le energie rinnovabili.

 La lezione è stata aperta con la richiesta dei due fisici di dividerci in gruppi e scrivere su i post-it fornitici le parole che ci venivano in mente sentendo la parola ‘sostenibilità’. Qualche minuto dopo, hanno invitato una persona di ogni gruppo di attaccare i post-it sulla lavagna, dove avevano scritto ‘sostenibilità’, e di raggruppare i post-it contenenti sinonimi o temi affini. Abbiamo così definito spontaneamente la sostenibilità nel suo ambito economico, sociale e ambientale.

Lo stesso procedimento è stato eseguito con le parole ‘energia’ e ‘valori’, arrivando così non solo a toccare con mano, per quanto in modo semplicistico e basilare, tutti i concetti necessari alla comprensione della spiegazione di fisica che ci attendeva, ma iniziando anche a sentire la vicinanza con una materia che, vista dai banchi di scuola, rischia di apparire abissalmente separata dalla vita di tutti i giorni, quando ne è il più fondamentale presupposto.

 Così abbiamo posto le fondamenta dei temi che la termodinamica tocca nella sua vastità. Entrando nel vivo della questione, abbiamo iniziato a parlare di forza, movimento e lavoro, per arrivare a definire l’energia come quella grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema fisico di compiere un lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia effettivamente svolto. A questo punto, avendo acquisito le basi necessarie, i fisici hanno iniziato a parlarci del consumo totale di energia. Abbiamo visto come il fabbisogno energetico mondiale sia di 15TW, ma la distribuzione di consumo sia tutt’altro che bilanciata a livello globale: il consumo giornaliero di energia ad personam è 11,4KW negli Stati Unita d’America, 0,6KW in India e (con nostra sorpresa, rispetto agli USA solo) 2,2KW in Europa. In Italia il 33% di energia totale è impiegato nei trasporti, il 34% nelle industrie, e l’ultimo 33% nel settore terziario e residenziale. Ci hanno mostrato poi la densità di energia per massa (quanta energia produce 1kg di sostanza) della fusione nucleare, dei combustibili ed infine delle forme di energia rinnovabili, con particolare riguardo per la questione della separazione dell’idrogeno e del conseguente elevatissimo rischio di esplosioni.

Dopo questa generica trattazione riguardo all’energia, hanno introdotto i principi di reversibilità, efficienza ed entropia. La reversibilità e l’efficienza (che è la “l’efficacia” di raggiungimento di un obiettivo) sono strettamente collegate: ciò che è efficiente al 100% è reversibile. Purtroppo però, nulla è efficiente al 100%: le centrali termoelettriche hanno un’efficienza attorno al 55%, le automobili diesel circa il 27%, contro il 23% di quelle a benzina; tutto il resto sono scarti, rifiuti. Adattandosi al nostro livello di preparazione, ci hanno spiegato poi che l’impossibilità di un’efficienza totale è dovuta alla ‘tassa’ richiesta dalla trasformazione di energia, la cui misura è l’entropia. Così, grazie alle spiegazioni e ad i ragionamenti fatti, abbiamo facilmente i tre principi della termodinamica, enunciati subito dopo dai due fisici (principio di conservazione dell’energia: nulla si crea e nulla si distrugge, tutto si trasforma; principio di irreversibilità: è impossibile in natura realizzare un processo spontaneamente reversibile, ogni trasformazione porta a un degrado costante delle risorse- massa ed energia- che entrano nel processo. La misura di questa tassa da pagare è detta entropia, che possiamo anche considerare una misura delle scorie della trasformazione; principio di efficienza: i processi non spontanei o non reversibili oltre a produrre entropia, hanno anche bisogno di lavoro per poter accadere; è quindi impossibile realizzare un processo che sia efficiente al 100%). Infine, hanno introdotto un quarto principio della termodinamica: materia ed energia entrano nel processo economico con un grado di entropia relativamente basso e ne escono con un’entropia più alta. A questo punto, prima di ragionare sulle conseguenze economiche del quarto principio, c’è stata un’interessantissima parentesi riguardante il legame tra entropia e tempo. Una delle tante frecce del tempo è quella dell’entropia, secondo cui lo scorrere del tempo corrisponde ad un necessario aumento di entropia.

Tornando poi al quarto principio della termodinamica, ci hanno coinvolti in una riflessione riguardante il valore economico in relazione ad entropia, scarti e costi; l’esempio che ci hanno portato per stimolarci è stato che il costo di una bottiglietta di acqua corrisponda (la differenza è minima) al costo di un litro di benzina; abbiamo capito, dunque, che per questioni di convenienza le imprese vendono la benzina ad un costo molto inferiore del suo effettivo valore, soprattutto considerando l’impatto ambientale della sua produzione, ‘esternalizzando’ sulla società i costi ambientali delle scorie prodotte. In seguito abbiamo parlato della tecnologia, mezzo che aumenta in maniera esponenziale l’efficienza, limitando il lavoro dell’uomo. Infine ci è stato spiegato il funzionamento delle energie rinnovabili con particolare riguardo ai pannelli fotovoltaici. Questi, nel momento in cui la fonte di energia (il sole) viene a mancare, richiedono un’altra fonte di energia sostitutiva che li continui a far funzionare. Per questa ragione le centrali termoelettriche devono stare in ‘standby’, pronte a fornire quest’energia quando serve: ovviamente, il gioco non vale la candela. In più, l’economia ha sfruttato male il quarto principio della termodinamica, nella misura in cui le installazioni fotovoltaiche sono state rese convenienti attraverso gli incentivi. I pannelli solari sono stati per lo più impiantati al posto di piantagioni e non in superfici inutilizzate come ad esempio i tetti dei palazzi. Queste piantagioni erano molto più fruttuose dei pannelli, che però sono risultati più convenienti grazie agli incentivi, pagati tra l’altro con i contributi dei cittadini.

Infine i fisici ci hanno spiegato l’interessante corrispondenza che intercorre tra il consumo energetico di uno Stato ed il suo indice di sviluppo umano: fino ad un certo livello all’aumentare del consumo, aumenta lo sviluppo umano, ma da quel punto in poi la crescita dello sviluppo umano si arresta. Dunque nei paesi sottosviluppati ed in via di sviluppo la correlazione è valida, ma nei paesi sviluppati anche al quadruplicare del consumo energetico, l’indice di sviluppo umano rimane costante.

I due fisici ci hanno lasciati con un grande spunto di riflessione finale, una citazione di Pasolini, che a mio avviso merita di essere riportata anche quì:

“la tecnica nega l’arte. Bisogna servirla, la tecnica, altrimenti è l’angoscia, la morte. Si impone, annienta ogni sentimento che non sia pronto a sottostarle. Uccide l’umanità, vale a dire l’umano e l’uomo. Fermarsi, rifiutare una situazione, cercare altre vie, porsi degli interrogativi, in una parola educarsi, significa sottoporsi ad una tale tensione, a una marcia controcorrente così faticosa che solo un élite (e domani una super élite) potrà permettersi, accettando la morte, il retaggio sociale di affrontare il problema”

Pierpaolo Pasolini

(tratta da: Pasolini L’insanità moderna – I precursori della decrescita S. Latousche a cura di P. Bevilacqua)

-Benedetta De Grano IIG

Altre info e slide: https://giovannimazzitelli.blog/2017/05/06/focous-group-termodinamica-frascatiscienza-lnf_infn/ e le slide alla voce Focus Group termodinamica in https://giovannimazzitelli.blog/divulgazione/

Informazioni su Giovanni Mazzitelli

Senior Researcher - field of interest high energy physics and particle accelerators; science communication and education; sail and alpinism lover
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