Il paradigma scientifico della termodinamica

Agli inizi dell'ottocento un ingegnere francese, Nicolas Carnot, mette in crisi il modello scientifico di Newton. Carnot scopre che la natura è irreversibile.

Qual è la differenza con il modello scientifico di Newton

Secondo Newton l'intero universo è regolato da leggi matematiche ed è compito dello scienziato trovarle.

Nel modello newtoniano una legge scientifica deve essere generale e deve saper prevedere l'evoluzione dei fenomeni naturali.

Esempio. Conoscendo la formula matematica della gravità, posso calcolare con esattezza quanto tempo impiega un vaso a cadere da un balcone.

Le categorie fenomenologiche

Carnot rigettò l'idea di una legge generale, semplice e universale di Newton perché i fenomeni reali sono molto più complessi di quanto si pensi.

L'ingegnere francese preferì suddividere i fenomeni naturali in diverse categorie, ognuna con le proprie regole e leggi, per spiegare meglio la complessità dei fenomeni naturali.

L'irreversibilità dei fenomeni

Inoltre, Newton non si sofferma sul verso delle formule e delle leggi scientifiche. Così facendo, ogni fenomeno naturale potrebbe sembrare reversibile. In alcuni casi è vero ma non sempre.

L'acqua diventa ghiaccio durante il freddo della notte ma poi torna liquida quando è esposta al calore dei raggi solari. Il fenomeno è reversibile.

un esempio di processo reversibile in natura

Tuttavia, se brucio un ciocco di legno nel camino per alimentare il fuoco, il legno si trasforma in calore, fumo e ceneri. Una volta bruciato, non posso più rimettere insieme gli atomi per riavere il ciocco di legno.

un esempio di fenomeno irreversibile

Si tratta di un fenomeno naturale irreversibile. In questo caso la natura dimostra di avere un verso e la legge scientifica vale solo in una direzione.

Questo nuovo paradigma scientifico è alla base della termodinamica di Carnot.

La teoria della termodinamica

Qualsiasi ristabilimento dell'equilibrio del calorico produce una forza motrice. Se non la genera, in tutto o in parte, allora la macchina ha una perdita.

la macchina termica di Carnot

A Carnot non interessa prevedere il movimento della macchina. Si preoccupa soltanto di aumentarne il rendimento e massimizzare lo sfruttamento energetico.

I due principi della termodinamica

Dagli studi di Carnot nacquero i due principi della termodinamica:

  1. Il primo principio della termodinamica. Nulla si crea e nulla si distrugge ma tutto si trasforma.
  2. Il secondo principio della termodinamica ( entropia ). La trasformazione della materia in energia e calore è irreversibile. Su questa irreversibilità venne ideato il concetto scientifico di entropia.

La seconda legge è particolarmente importante perché evidenzia l'impossibilità del passaggio spontaneo del calore da un corpo freddo a un corpo caldo.

la seconda legge della termodinamica

Il calore si sposta naturalmente dal corpo caldo a quello freddo ma non avviene il contrario. Questo unico senso di percorrenza dimostra l'irreversibilità di alcuni fenomeni naturali e, quindi, delle leggi scientifiche.

Nota. Dalla lettura della prima legge della termodinamica potrebbe sembrare che tutto si possa trasformare in energia o materia. La seconda legge, invece, impone un senso di percorrenza.

L'attenzione di Carnot per le macchine

Carnot si distingue da Newton anche su un altro aspetto importante. Carnot dedica il suo studio ai fenomeni scientifici relle macchine e non in generale.

Perché Carnot studia le macchine?

A differenza di altri scienziati dell'epoca, Nicolas Carnot studia soprattutto i fenomeni vicini all'uomo e non i fenomeni naturali in generale.

Agli inizi dell'Ottocento, quando visse Carnot, il mondo stava vivendo con entusiasmo la rivoluzione industriale.

Molti scienziati e ingegneri si dedicarono alla ricerca per migliorare l'efficienza dei macchinari nelle fabbriche e della conversione energetica, ridurre gli sprechi e aumentare la produzione.

Per la prima volta nella storia i fattori esterni socio-economici divennero un motore della ricerca scientifica.

Nel secolo precedente, invece, la scienza cercava soprattutto una spiegazione ai fenomeni naturali osservati dall'uomo. Non c'era un obiettivo socioeconomico ma soltanto la sete di conoscenza.


 
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