di Giuseppe Luca Celardo *

Cos'è l'Energia? Citando R. Feynman (premio Nobel per la Fisica 1965): «Nessuno lo sa, ma sappiamo che è conservata». Anche se non sappiamo cosa sia esattamente, sappiamo come quantificarla: l'energia è data dal prodotto di forza per spostamento. Se applichiamo una forza per un metro, abbiamo consumato una certa quantità di energia. Ci sono molte unità di misura per l'energia, quella più usata in Fisica è il Joule( J ). Dieci Joule e' l'energia necessaria per alzare un chilogrammo di massa di un metro. Vi e' anche la Caloria ( ca ), che corrisponde all'energia necessaria per riscaldare un grammo d'acqua di un grado ( 1ca = 4.2 J ), ed il Watt-ora ( Wh ), che è l'energia consumata da una lampadina di un Watt, tenuta accesa per un'ora ( 1Wh=3600 J ).

Gli uomini consumano più o meno come una lampadina da 100W e necessitano più o meno di 2.500 mila calorie al giorno (l'equivalente di 10 milioni di Joule al giorno). Questa è l'energia necessaria per alzare mille tonnellate da terra di un metro! Può sembrare molta, ma la maggior parte di questa energia è usata per mantenere la differenza di temperatura tra il corpo umano e l'esterno. Infatti il corpo umano è composto per la maggior parte di acqua, che è una sostanza molto difficile da scaldare: per alzare di un grado la temperatura di un litro d'acqua, servono più di 4000 Joules, ossia la stessa energia necessaria per sollevare quattro quintali dal suolo di un metro! Il resto dell'energia è usata per i processi metabolici dei vari organi e per il moto. È interessante notare che l'organo che consuma più energia è il cervello, che pur costituendo solo il 5% della massa corporea, consuma il 20% del fabbisogno energetico giornaliero. È sorprendente vedere quanti numeri possiamo associare a qualcosa che non sappiamo neppure cosa sia...

L'energia cambia continuamente forma, ma si conserva sempre. Può sembrare un'affermazione banale, ma l'esattezza della conservazione dell'energia e le sue conseguenze, sono stupefacenti. Seguendo come l'energia è conservata attraverso le sue diverse forme, comprendiamo come la maggior parte dell'energia disponibile sulla Terra venga dal Sole. L'energia che arriva dal Sole sulla superficie terrestre in una sola ora e mezza, è equivalente alla totalità dell'energia consumata dall'intera umanità in un anno!

Questa energia non è però facile da usare direttamente, la radiazione solare è diluita su tutta la superficie terrestre, inoltre non è facilmente immagazzinabile. Fortunatamente la Natura ha già trovato un modo per immagazzinare e utilizzare l'energia solare: la fotosintesi. La fotosintesi è il processo attraverso il quale la radiazione solare è catturata e trasformata in energia chimica tramite la produzione di carboidrati e proteine che sono poi usati per alimentare il metabolismo cellulare. Si comprende così come tutta l'energia contenuta nel cibo venga dal Sole, attraverso la fotosintesi.

Anche la maggior parte delle altre risorse energetiche vengono dal Sole. Quando bruciamo un pezzo di legno stiamo rilasciando la stessa energia che la pianta ha catturato dal Sole attraverso la fotosintesi. È interessante notare che un chilo di cibo rilascia più o meno la stessa energia di un chilo di legno, approssimativamente 16 milioni di Joule. Anche quando bruciamo carbone, petrolio o gas naturale, a causa della loro origine vegetale, stiamo rilasciando l'energia immagazzinata dal Sole attraverso la fotosintesi. L'energia solare e' anche la causa dei venti (senza il costante riscaldamento della superficie terrestre non vi sarebbero venti), e dell'evaporazione dell'acqua, quindi sia l'energia eolica che l'energia idroelettrica, non sono altro che energia Solare. L'energia solare può essere usata anche direttamente attraverso le celle fotovoltaiche o gli impianti termo-solari (dove la radiazione solare è concentrata per riscaldare l'acqua o altre sostanze). Ovviamente anche l'energia che si estrae dalle biomasse ha origine solare.

Solo poche risorse energetiche non hanno origine dal Sole. L'energia geotermica viene dal calore presente al centro della Terra e non è una diretta conseguenza del Sole. Anche l'energia di fissione nucleare, utilizzata negli impianti nucleari, non ha origine solare. Questa forma di energia nucleare, è dovuta alla fissione (separazione) del nucleo di elementi pesanti, come l'Uranio. È interessante notare come tutti gli elementi pesanti si formino all'interno delle stelle, durante la fase finale della loro esistenza. Così l'energia di fissione nucleare si può considerare come l'energia proveniente dal Sole che esisteva prima del nostro Sole. Attualmente si sta tentando di utilizzare un'altra forma di energia nucleare: quella a fusione (due nuclei leggeri si uniscono per formare un nucleo più pesante, rilasciando così energia). L'energia nucleare di fusione è la fonte di energia che tutte le stelle usano. Così, se avremo successo, un giorno l'uomo potrebbe riprodurre sulla Terra la stessa energia che usano le stelle.

Gli esseri umani hanno imparato a usare le diverse fonti energetiche, attraverso la costruzione di motori termodinamici, per estrarre lavoro. Un esempio di ciò è la produzione di energia elettrica, che è una delle forme di energia più utili: può essere trasportata velocemente da un punto a un altro, praticamente alla velocità della luce, e può essere trasformata facilmente in altre forme di energia, come in energia meccanica, per esempio in una lavatrice, o in energia elettromagnetica, come in una lampadina. L'elettricità è dovuta a particelle cariche (elettroni), che, sotto un appropriato voltaggio, possono fluire in una particolare direzione, generando correnti elettriche. Poiché la materia si trova in una forma neutra, ossia con la stessa percentuale di cariche positive e negative, al fine di separare le cariche e produrre corrente elettrica, serve energia.

Un complesso sistema di centrali elettriche, cabine di trasformazione e cavi elettrici, produce e trasporta l'energia elettrica quasi ovunque. Nelle centrali elettriche l'energia proveniente da diverse fonti è trasformata in energia elettrica, attraverso un semplice meccanismo: una fonte di energia (carbone, gas naturale, petrolio, Uranio per la fissione nucleare, ecc...) è usata per scaldare il vapor acqueo, che fa girare le turbine. Il moto meccanico delle turbine può essere usato per esempio per far girare una spira metallica in un campo magnetico, producendo così corrente alternata, attraverso l'induzione elettromagnetica. L'energia prodotta in questo modo è proporzionale alla velocità a cui ruotano le spire metalliche: è così che l'energia meccanica è trasformata in energia elettrica. Una volta prodotta, l'energia elettrica deve essere trasportata dove serve, attraverso un'intricata rete di cavi elettrici.

Quando l'elettricità passa attraverso un cavo elettrico, parte della sua energia viene dispersa in calore. Al fine di minimizzare le perdite di energia, il voltaggio nei cavi elettrici viene cambiato nelle cabine di trasformazione: abitualmente si utilizzano cavi ad alta tensione (voltaggio) per le lunghe distanze, e cavi a media o bassa tensione per distanze inferiori. Inoltre l'energia elettrica non viene immagazzinata, è necessario quindi un complesso sistema di controllo per assicurare che la generazione di energia elettrica compensi in ogni istante la richiesta.

ENTROPIA e COMPLESSITA'

Come abbiamo visto, l'energia dell’Universo, pur conservandosi sempre (Prima Legge della Termodinamica), può cambiare continuamente forma. Al contrario dell'energia, l'entropia, che è una misura del disordine, tende ad aumentare (Seconda Legge della Termodinamica). L'entropia di un sistema è tanto più grande, quanto maggiore è il numero di micro-stati compatibili con un dato macro-stato. Poiché il numero di microstati è più grande per un sistema disordinato che per uno ordinato, l'entropia viene considerata come una misura del disordine.

La Seconda Legge della Termodinamica esprime una tendenza naturale nell'Universo: dall'ordine al disordine. Questa tendenza al disordine pone dei limiti all’efficienza delle trasformazioni dell'energia: per esempio, mentre è possibile trasformare completamente una forma di energia ordinata in una più disordinata (l'energia meccanica in energia termica per esempio), il contrario non è possibile. In effetti, la Seconda Legge della Termodinamica implica che non possiamo estrarre lavoro dal calore ad una temperatura costante, ossia all'equilibrio. L'energia termica (o calore) è dovuta al moto delle molecole che compongono una sostanza. In una situazione di equilibrio questa energia non ha direzione: alcune molecole si muovono verso destra, altre verso sinistra, ecc...mentre per fare del lavoro abbiamo bisogno di una direzione, per esempio per alzare un peso o per spostare un oggetto. Ossia, per estrarre lavoro dal calore di una sostanza abbiamo bisogno che le sue molecole partecipino a una qualche forma di moto collettivo.

Solo fuori dall'equilibrio quindi, ossia quando abbiamo almeno due temperature differenti, è possibile costruire un motore termodinamico, come una centrale elettrica, capace di operare tra diverse temperature per estrarre lavoro dal calore. Sulla Terra l'origine del non equilibrio è il Sole. Il flusso costante di energia del Sole, scaldando diverse sostanze in modo diverso, combatte la naturale tendenza di tutte le cose all'equilibrio e quindi ad assumere la medesima temperatura. È interessante notare che gli esseri umani sono sistemi non all'equilibrio, ad esempio la loro temperatura corporea differisce di diversi gradi da quella esterna.

La Seconda Legge della Termodinamica ci insegna inoltre che l'efficienza massima di un motore termodinamico dipende solo dalle temperature tra le quali opera. In una situazione reale l'efficienza massima non è raggiungibile, l'energia è dissipata in una forma più disordinata, come il calore, andando così ad aumentare l'entropia dell'Universo.

Vi è un altro aspetto del processo di trasformazione dell’energia da forme disordinate a forme ordinate, che vale la pena menzionare. Al fine di estrarre lavoro, i motori termodinamici devono essere attentamente progettati, ossia devono essere strutture ordinate e complesse per combattere la naturale tendenza al disordine. La relazione tra complessità di un motore termodinamico e la sua efficienza è estremamente interessante. Per esempio potremmo chiederci (non risponderemo a queste domande, qui): quanto dobbiamo aumentare la complessità di un motore reale per rendere la sua efficienza il più possibile prossima a quella di un motore ideale o per mantenere la sua efficienza costante aumentando la differenza di temperatura tra cui opera, oppure per estrarre più lavoro?

Gli esseri umani, come i motori termodinamici, sono strutture molto complesse e ordinate (in qualche senso sono sistemi a bassa entropia). È la loro struttura complessa e altamente organizzata che permette loro di costruire altre strutture complesse, come i motori termodinamici, che li rendono capaci di usare molta più energia di quella che il loro metabolismo consentirebbe. Per esempio la città di Venezia consuma approssimativamente 10.000 miliardi di Watt-ore all'anno, l'equivalente di un milione di tonnellate di carbone. Questa quantità di energia corrisponde al fabbisogno metabolico di 10 milioni di persone, mentre a Venezia ne vivono solo 250 mila.

Possiamo quindi dire che la complessità della produzione e distribuzione dell'energia non è altro che un riflesso della complessità degli esseri umani. Anche se l'energia e l'entropia sono concetti molto astratti, seguendo le leggi che governano le loro trasformazioni, ci siamo avvicinati alla natura umana e al modo in cui è legata al tutto.

* Giupeppe Luca Celardo ha ottenuto il Dottorato in Fisica presso l’Università Statale di Milano, ha lavorato come postdoc presso il Los Alamos National Laboratory (Los Alamos, USA), la BUAP (Puebla, Mexico) e la Tulane University (New Orleans, USA). Attualmente svolge la sua attività di ricerca presso il Dipartimento di Matematica e Fisica della sede di Brescia della Cattolica. Si occupa di sistemi quantistici complessi, in particolare la sua ricerca è focalizzata sulle proprietà emergenti dei sistemi quantistici aperti, sui computer quantistici e sulle proprietà magnetiche dei nano-sistemi.