Termodinamica fluttuante: quando il calore passa dal freddo al caldo

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Ci sono situazioni in cui le leggi della termodinamica non valgono. Una gruppo di ricerca brasiliano ha scoperto che le relazioni di indeterminazione termodinamica che sarebbero alla base del fatto che, a livello microscopico, calore, lavoro e potenza non sono quantità fisse ma entità fluttuanti.

Lo sappiamo: il calore va da i corpi caldi a quelli freddi; è la termodinamica, meglio, il secondo principio della termodinamica. Secondo un’altra formulazione dello stesso principio l’entropia, per così dire la misura del disordine, di un sistema tende a crescere nel tempo: parte dell’energia di un motore per esempio si dissipa sotto forma di calore. Ma a livello microscopico le cose non stanno esattamente così. Già da anni si sa che a quelle scale c’è fluttuazione: può accadere in sostanza che il calore passi da un corpo freddo a uno caldo. Perché? Oggi uno studio della brasiliana Universidade Federal do Abc di Santo André, pubblicato su Physical Review Letters, ha derivato da quei teoremi che descrivono la fluttuazione delle relazioni di indeterminazione termodinamica, che coinvolgono le quantità di calore, lavoro e potenza, che perciò non sarebbero quantità fisse.

Le relazioni di indeterminazione termodinamica erano già state individuate da un gruppo di ricerca tedesco, nel 2015, ma al momento non si riusciva a darne ragione. Il nome ci può ricordare il principio di indeterminazione di Heisenberg e in effetti la struttura matematica delle relazioni gli somiglia. Ma qui non parliamo di fisica quantistica, semplicemente di termodinamica. “Quando abbiamo cominciato a studiare la termodinamica, avevamo a che fare con quantità come il calore, il lavoro e la potenza, alle quali abbiamo sempre assegnato dei valori fissi, racconta Gabriel Landi, che ha guidato l’équipe di fisici brasiliani. “Non abbiamo mai immaginato che potessero fluttuare, ma è quello che fanno”.Red blaze fire explosion flame texture background designFinora, l’origine di queste relazioni era sconosciuta. “Il nostro principale contributo”, spiega Landi, “è stato mostrare che derivano dai teoremi di fluttuazione”, in altri termini, l’indeterminazione è dovuta ad alcune fluttuazione che si possono osservare a livello microscopico.

Ma che cosa è questa fluttuazione? A differenza della scala a cui ci muoviamo noi, verso dimensioni ben più microscopiche non è sempre detto che l’entropia cresca o, detto altrimenti, che il calore passi da un corpo caldo a quello freddo. A volte, può accadere il contrario: esiste infatti una probabilità non nulla che il calore si trasmetta dal corpo freddo a quello caldo. È una questione di probabilità ed è solo molto più probabile che generalmente il calore passi dal caldo al freddo. Quantità come il calore o il lavoro, dunque, non sono fisse ma sono entità che possono fluttuare.

Nel 1993 una ricerca degli scienziati Denis Evans, Gary Morriss e Ezechiel Cohen, individuò dei teoremi capaci di quantificare con precisione quella probabilità e testarono la loro efficacia con simulazioni al computer. E questi teoremi sono per l’appunto chiamati teoremi di fluttuazione. A cosa possono servire lo spiega proprio Landi: “Nel mondo microscopico queste fluttuazioni sono importanti. Possono per esempio influenzare le operazioni di una nano-macchina” – campo di studi d’avanguardia e i cui massimi esperti hanno ricevuto il Nobel nel 2016. Insomma, sapere che la termodinamica a quelle scale più che questione di principio è questione di probabilità, potrà essere molto utile.

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