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Titolo: Secondo principio della termodinamica

Forse a molti di voi sembrera' una domanda banale, ma io ancora non ho
trovato una risposta esauriente. Ecco il problema:
Stringendo molto, il secondo principio della termodinamica afferma che
l'energia tende a degradarsi, ovvero che l'entropia dell'universo
aumenta e, piu' in piccolo, che non possiamo ad esempio costruirci un
frigor che consumi zero (o che magari addirittura generi potenza).
Ora: ma siamo sicuri che sia un "principio" ?
Spiego meglio: se oggi uno scienziato costruisse un materiale che
"assorbe calore" ovvero dagli urti con le particelle d'aria produce
energia rallentando queste ultime. Tipo una cella fotovoltaica che
invece della radiazione solare raccoglie gli impatti con il gas che la
circonda. Perche' non e' possibile fare una cosa del genere per
"principio" e non per un nostro limite tecnologico attuale ? Chi ci
assicura che non sara' MAI possibile ?
Il fatto che sulla terra si sia sviluppata la vita, un'organizzazione
complessa partendo da una massa di particelle subatomiche in
epansione, non e' gia' di per se una violazione di questo principio ?
Grazie per qualsiasi commento
Giacomo

epansione, non e' gia' di per se una violazione di questo principio ?
Chi ti ha detto che la vita si è sviluppata in questo modo?
In ogni caso all' Origine c'è qualcosa di misterioso, qualcosa che sfugge ad
ogni nostro "principio" e ad ogni nostra categoria mentale.
CIAO
 dAVIDE

epansione, non e' gia' di per se una violazione di questo principio ?
Questo no, perchè è stata spesa energia di prima specie, i fotoni solari.
Ciao, Mauro.

 tornata nel sistema sotto forma di calore e quindi di energia cinetica.
 Nel caso specifico di una valvola si puo' mostrare nel dettaglio
perche' non puo' funzionare da diavoletto: trovi la discussione di
questo ed altri casi espliciti nelle "Lectures on Physics" di Feynman. 
 La discussione sul demone di Maxwell in realta' e' molto sottile ed ha
una lunga storia, che anche molti fisici non conoscono bene. Per decenni
si e' pensato che Brillouin lo avesse esorcizzato una volta per tutte
con il seguente ragionamento [in quel che segue si tenga conto che e'
circa la stessa cosa parlare di "calo di entropia", "aumento di
negentropia" e "aumento di energia libera"]:
 Per cominciare si nota che si puo' facilmente dimostrare con
ragionamenti termodinamici molto generali che in sistema all'equilibrio
termico non si puo' vedere nulla, in quanto in questo caso tutti gli
oggetti, ad ogni frequenza, emettono ed assorbono la stessa quantita' di
radiazione di ogni altro oggetto. Quindi ogni oggetto appare esattamente
dello stesso colore di ogni altro. (Noi siamo in grado di vedere solo
perche' il Sole e' ad una temperatura molto piu' alta della nostra e ci
annaffia di fotoni non in equilibrio termico con noi).
 Consideriamo ora un demone di Maxwell come descritto sopra, animato o
macchina poco importa, nella solita scatola isolata (se non e' isolata
l'entropia puo' decrescere senza contraddizione con la seconda legge).
Come fa a sapere che sta arrivando una molecola? Dovra' vederla
arrivare, se no non sa se aprire la finestra o no. Ma per poter vedere
la molecola bisogna emettere un fotone di lunghezza d'onda
sufficientemente corta da poter localizzare la molecola; e questo
fotone, per il ragionamento fatto piu' sopra, dovra' essere creato
apposta. Con qualche calcoletto si mostra che per poter creare un fotone
adatto si deve creare almeno altrettanta entropia di quanto non si
guadagni lasciando passare la molecola attraverso il foro, quindi
l'entropia del sistema complessivo non cala e la seconda legge e' salva.
 Questo ragionamento e' del tutto corretto, ma il problema e' che non e'
abbastanza generale: chi ci dice che l'unico modo di individuare la
molecola sia di illuminarla? Per esempio in un mondo classico (non
quantomeccanico) l'energia della luce e' indipendente dalla frequenza e
l'intensita' puo' essere arbitrariamente piccola, quindi e' possibile
localizzare ogni molecola con una spesa di energia (anzi, di energia
libera) trascurabile ed il ragionamento cade.
 Un esorcismo completo si e' avuto solo in tempi recenti (intorno al
1980) ad opera di Bennet e Landauer. Per prima cosa notarono che anche
se e' possibile acquisire informazione ad un costo entropico
trascurabile, il problema nasce quando la si accumula. Il demone,
comunque sia fatto, deve accumulare l'informazione sulla posizione della
molecola: se non lo facesse, non potrebbe tenere aperta o chiusa la
valvola (o eseguire l'azione opportuna, qualunque essa sia). Il demone
ha due possibili strategie base: (a) avere una memoria minima (un bit:
tengo aperto/tengo chiuso) oppure (b) avere una memoria estesa (N bit,
con N molto grande).
 Consideriamo il caso (a). Una possibile idea per uccidere il demone e'
che non sia possibile scrivere in memoria senza dissipazione di energia.
Questo e' tuttora un punto controverso, ma fortunatamente non e'
essenziale: il fatto e' che si puo' mostrare che non e' possibile
*cancellare* la memoria senza dissipazione, e per la precisione senza
dissipare un'energia pari a kT log 2 per bit cancellato (k=cost. di
Boltzmann, T=temp. del sistema, log=logarimo naturale), che, si mostra,
e' sufficiente a salvare il secondo principio. Il punto della
dimostrazione e' che il processo di cancellazione della memoria e'
necessariamente irreversibile (infatti si parte da uno stato "qualunque"
per arrivare allo stato "zero": evidentemente il processo inverso non e'
ben definito), e pertanto l'entropia deve crescere. Siccome il processo
di misura ed accumulazione implica la cancellazione del risultato
precedente - abbiamo supposto di avere un solo bit di memoria - tutti i
processi successivi al primo non daranno alcun guadagno di entropia.
Percio' si puo' estrarre dal sistema solo una quantita' di negentropia
al massimo pari a k log 2, corrispondente al primo processo, ovvero una
quantita' microscopica (inferiore alle fluttuazioni d'equilibrio). 
 Ma, si potrebbe obiettare, chi ci costringe a cancellare il risultato
precedente? Nessuno, ma allora dobbiamo avere piu' di una cella di
memoria, e questo ci porta al caso (b). Se le N celle di memoria sono
inizializzate (se non lo sono dobbiamo cancellarle e non si guadagna
nulla), non abbiamo bisogno di cancellare, ed effettivamente possiamo
estrarre dal sistema un'energia pari a NkT log 2; in un certo senso, il
diavoletto funziona... ma a costo di un "carburante" esterno, ovvero le
celle preinizializzate! E' un carburante entropico, ma sempre carburante
e'. Di fatto, la situazione a parte la sua astrazione non e' molto
diversa da quella che accade quando facciamo benzina. Non voglio
suggerirvi di chiedere al benzinaio un giga-giga-giga-bit di zeri :-),
ma in effetti quello che compriamo con la benzina non e' tanto l'energia
- l'aria che ci circonda contiene tutta l'energia di cui avremmo bisogno
- quanto il fatto di averla bella concentrata ed utilizzabile:
compriamo, di fatto, negentropia. Le celle preiniziallizzate di cui
sopra servono, a ben vedere, alla stessa cosa. In realta' la cosiddetta
crisi energetica degli anni settanta sarebbe stata meglio descritta come
crisi negentropica...
 A chi voglia approfondire, raccomando "Maxwell's demon: entropy,
information, computing", a cura di H.S. Leff e A.F. Rex, che contiene
una chiara e concisa esposizione generale ed i reprints di tutti gli
articoli piu' importanti sull'argomento da Maxwell in poi.
-- 
To reply, replace "smartassi@triste" with "smargiassi@trieste"
in my e-mail address
Enrico Smargiassi
http://www-dft.ts.infn.it:6163/~esmargia

epansione, non e' gia' di per se una violazione di questo principio ?
No, perche' l'entropia totale del sistema e' sempre aumentata.
Per esempio per lo sviluppo della vita sono occorse le radiazioni solari che
richiedono la reazione di fusione nucleare di una stella! (per prenderla
molto alla larga).
Anche le membrane cellulari, che sembrano le uniche ad andar contro le leggi
dell'entropia, alla fine vi si devono adeguare.
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Daniele Onorati
dono...@tin.it
ono...@freemail.it
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epansione, non e' gia' di per se una violazione di questo principio ?
Beh, la fai un po' semplice, cmq e' possibile perche' noi non siamo un
sistema isolato.
Joe

 l'informazione è energia.
Io direi che informazione e' entropia. Il diavoletto originale di
Maxwell faceva passare le molecole veloci e chiudeva la strada a quelle
lente. In questo modo ha creato uno stato ordinato, ma anche aumentato
l'informazione: altrimenti come fa a sapere se una molecola e' veloce o
lenta? C'e' una piccola discussione sullo Zemansky (Calore e Termodi-
namica), secondo la quale il satanello non potrebbe conoscere le 
velocita' perche' si trova anch'esso immerso nello stesso ambiente
a temperatura uniforme delle molecole. Si potrebbe allora pensare di
usare un flash, che fornisce radiazione aggiuntiva e fornirebbe le info
cercate, ma il filamento che crea il flash si scalda e genera entropia,
i fotoni che vengono eventualmente assorbiti dallo stesso animaletto
aumentano la sua entropia, ecc... Sembra che tenendo conto di tutti
questi fenomeni, alla fine la variazione di entropia e' positiva ed
il secondo principio e' salvo!
Ciao
-- 
Massimo M. - 
ine...@libero.it
"Sto cercando un grande guerriero"
"Sbagli: guerra non fa grande nessuno"
(da "L'impero colpisce ancora")