di Bruno Pizziol
È difficile affrontare su scala globale il tema della sostenibilità senza parlare di energia.
Le tecnologie per la produzione di potenza si sono evolute con continuità dal XVII secolo a oggi, in direzione di rendimenti sempre maggiori secondo i limiti imposti dalle leggi fondamentali della termodinamica.
Ciononostante le tecnologie contemporanee sono tutte, in un modo o nell’altro, insostenibili. Il rinnovabile è ancora lontano dall’essere all’altezza del fabbisogno energetico mondiale, e lo sfruttamento di combustibili fossili e nucleari ha un forte impatto sull’ambiente (emissioni in atmosfera per i primi e scorie radioattive per i secondi).
La storia scientifica non è fatta solo di successi, e tra i fallimenti più affascinanti la menzione d’onore è per le macchine a moto perpetuo: la massima sostenibilità in contrasto con i principii della termodinamica.
Il primo principio della termodinamica, o principio della conservazione dell’energia, afferma nella sua formulazione classica, che “L’energia non può essere né creata né distrutta, ma può solo cambiare forma”.
Una macchina a moto perpetuo di prima specie è una macchina in grado di generare più potenza di quanta non ne riceva ingresso, e quindi in grado, una volta avviata, di autosostenere il proprio moto senza alcun input energetico.
Esiste una quantità enorme di prototipi non funzionanti di macchine a moto perpetuo di prima specie: dalle più semplici ruote idrauliche alle più complesse combinazioni meccaniche di fenomeni magnetici e di capillarità, uniti alla quasi totale assenza d’attrito.
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In maniera del tutto analoga, una macchina a moto perpetuo di seconda specie è una macchina il cui funzionamento vìola il secondo principio della termodinamica, che afferma, secondo l’enunciato di Clausius, che “È impossibile realizzare una macchina con funzionamento ciclico il cui unico effetto sia il trasferimento di una quantità di calore da una sorgente a bassa temperatura a una sorgente a temperatura più alta”.
L’esempio classico di macchina a moto perpetuo di seconda specie è sicuramente il demone di Maxwell, adoperato dal celebre fisico scozzese nel 1867 per dimostrare la natura statistica del secondo principio della termodinamica..
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Si considerano due volumi di controllo contenenti lo stesso gas nelle stesse condizioni di pressione e temperatura. La temperatura di un gas – su scala macroscopica – corrisponde – su scala microscopica – all’energia cinetica media delle molecole che lo compongono. I due volumi di controllo sono separati da un filtro – il suddetto demone – che consente il passaggio dalla prima alla seconda sezione solo alle molecole con velocità superiore alla media, e il passaggio dalla seconda sezione alla prima solo all’altra metà di molecole più lente. In questo modo è possibile raffreddare il primo volume e riscaldare il secondo – senza il consumo di potenza elettrica associato a frigoriferi e pompe di calore tradizionali – in contrasto con il secondo principio della termodinamica.
Il demone di Maxwell è una macchina ideale, e pertanto irrealizzata. Il funzionamento del filtro sarebbe accompagnato da un consumo di potenza, necessario, banalmente, per individuare quali sono le particelle più veloci. In termini di irreversibilità, la diminuzione globale di entropia delle due sezioni sarebbe affiancata a una generazione di entropia da parte del demone stesso.
In altre parole, il demone di Maxwell vìola il secondo principio, però non esiste!
Nonostante la comunità scientifica sia molto diffidente nei confronti delle macchine a moto perpetuo, in tanti ancora inseguono questa chimera, e non sempre in buona fede. Qualche professore del Politecnico racconta di ricevere di tanto in tanto proposte di questo tipo, conseguenza delle evidenti difficoltà nell’ottenere un brevetto senza presentare un prototipo funzionante.
Queste imprese possono farci sorridere, ma vanno prese per quello che sono: una sfida alla convenzione, come lo sono state le battaglie più o meno accese di Giordano Bruno e Galileo Galilei per la molteplicità dei mondi e il modello eliocentrico. A oggi non esiste una vera e propria dimostrazione matematica dei principii della termodinamica, considerati validi a fronte di una forte evidenza sperimentale. In queste condizioni chi può dire se mai ci sarà gloria per il moto perpetuo e i suoi pionieri?