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Ma
torniamo al diavoletto.
La
sfida lanciata da
Maxwell era basata
sul fatto che
il secondo principio, a
differenza del primo, ha
carattere statistico.
Se
si descrive un gas
(o in generale un
corpo macroscopico)
come un insieme
di particelle, si
può reinterpretare
lo stato di equilibrio
termodinamico di
un sistema chiuso
come quello più
probabile, e quindi
quello più
di frequente realizzato
dalle particelle,
quello al quale
le particelle tendono.
Nulla però
vieta, in linea
di principio, l'esistenza
di fluttuazioni
termodinamiche che
possono portare
il sistema in uno
stato diverso da
quello di equilibrio:
esse sono escluse
solo sulla base
della loro improbabilità,
non per ragioni
fisiche codificate
dalle leggi della
meccanica. E dunque
nulla vieta che
il diavoletto possa
agire nel rispetto
di tali leggi.
Può farcela?
In apparenza
sì, e in
modo assai semplice.
Si
immaginino infatti
due contenitori A
e B, riempiti
con un gas identico
e alle stesse temperature,
posti uno a fianco
dell'altro, separati
solamente da una
piccola botola che
ne permette la comunicazione.
Il piccolo
diavoletto sta a
guardia della botola,
mantenendola chiusa
e osservando le
molecole nei due
diversi contenitori.
Quando una molecola
più veloce
delle altre si dirige
verso la botola,
il diavoletto la
apre e lascia che
la molecola passi
dal contenitore
A al contenitore
B.
La
velocità
media delle molecole
in B quindi è
aumentata, mentre
quella delle molecole
in A è diminuita.
Ora, all'aumento
della velocità
media delle molecole
corrisponde un aumento
della temperatura:
la temperatura in
A è infatti
diminuita, mentre
la temperatura in
B è aumentata,
e questo senza dispendio
di energia: ed ecco
la smentita del
secondo principio
della termodinamica.
Semplice,
no?
Peccato
che, quando dalla
teoria si passa
alla pratica, le
cose cambino completamente
aspetto.
Fin
dai tempi di Maxwell
sono state proposte
numerose versioni
del diavoletto termodinamico,
la più semplice
delle quali prevede
di produrre
una differenza
di pressione consentendo
a tutte le molecole,
indipendentemente
dalla loro velocità,
di passare da B
ad A, ma impedendone
il passaggio nel
verso opposto.
Dopo un breve intervallo
di tempo, la maggior
parte delle molecole
si sarà concentrata
in A, mentre in
B si produrrà
un vuoto parziale.
Ad un aumento di
pressione corrisponde
un aumento di temperatura,
ed ecco che il diavoletto
avrebbe ottenuto
il suo scopo.
Questo
diavoletto appare
molto più
verosimile della
creatura originale
di Maxwell, dato
che non è
necessario che sia
in grado di vedere
e di pensare. Non
vi è motivo
immediatamente evidente
che impedisca di
realizzarlo, ad
esempio con una
valvola a flusso
unidirezionale per
le molecole, utilizzando
dispositivi inanimati,
come un minuscolo
battente a molla.
Come il diavoletto
di Maxwell, questo
dispositivo a pressione
potrebbe costituire
una sorgente illimitata
di energia per molte
macchine.
Non
appena si scende
nel concreto, però,
cercando di
produrre un modello
reale del diavoletto, ci
si scontra con una
serie di problemi
che rendono evidente
la natura fondamentale
del secondo principio,
che quindi non è violabile
con trucchetti di
questo genere.
Uno
di questi problemi
è legato
al fatto che è
necessario individuare
le particelle (determinare
ad esempio se provengono
da un lato o dall'altro)
tramite qualche
meccanismo, che
a sua volta richiede
energia (ad
esempio l'invio
di un fotone) e
che è necessario
implementare una
struttura decisionale
che consenta al
diavoletto di agire
in modo diverso
a seconda del verso
di provenienza della
molecola: il diavoletto
va quindi modellizzato
come un computer,
che necessita a
sua volta di energia
per poter funzionare.
Inoltre il demone, così come è stato concepito da Maxwell,
dovrebbe aprire e chiudere la botola ad istanti ben
precisi; per fare ciò egli dovrebbe essere in grado di conoscere
posizione e velocità di ogni atomo in ogni momento, in evidente
contrasto con il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo
il quale a livello subatomico la velocità e la posizione di una particella
in movimento sono sempre del tutto indeterminate, cioè rimangono
sempre indefinite: quanto
maggiore è l'accuratezza nella misurazione della posizione di una
particella subatomica, tanto minore è la precisione inerente alla
misurazione della velocità e viceversa.
Il
diavoletto di Maxwell,
dunque, non sembra
avere alcuna chance.
(Fonti:
http://www.cosediscienza.it/fisica/12_entropia.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Diavoletto_di_Maxwell)
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