Entropia e Freccia del Tempo Beniamino Ginatempo Dipartimento

Entropia e Freccia del Tempo Beniamino Ginatempo Dipartimento di Fisica Facoltà di Ingegneria Università di Messina Salita Sperone 31 - 98166 Messina E-mail: Beniamino. Ginatempo@unime. it MESSINA – 25/11/09

Piano del seminario 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) Premessa: A che serve la Fisica? Leggi di conservazione Energia Sistemi fisici complessi Utilizzazione dell’Energia e dissipazione Reversibilità e irreversibilità Entropia: Sistemi stazionari la vita e la morte (termica) Spartiacque entropico (Macchine Termiche) (Inquinamento)

Chiediamoci Perché? 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) Perché il Sole sorge e tramonta? Perché gli oggetti cadono? Perché esistono solidi e fluidi? Perché vedo? Perché ci sono oggetti caldi o freddi? Perché una pallina che rotola sul pavimento si fermerà? Perché ci sono i fulmini? Perché un oggetto esposto al sole si riscalda? Perché il mare ed il cielo sono azzurri? Perché posso udire e produrre suoni? Perché il rosso Ferrari è diverso dal rosso della salsa di pomodoro? Perché il gesso aderisce alla lavagna o una matita scrive? Perché una bussola segna il nord? Perché posso vedere in TV real time una partita di calcio? Milioni sono le domande possibili ed alcune di incredibile sottigliezza. Scoprire le risposte può dare una ineguagliabile gioia, come leggere una poesia o ascoltare della musica. Le domande si riferiscono a fenomeni fisici e la Fisica si occupa di cercare le risposte e di capire come sfruttare ciò che comprendiamo per il progresso dell’umanità.

La Fisica o Filosofia Naturale Si comincia a fare Fisica nel momento in cui ci si chiede, per esempio: 1) 2) 3) 4) Cosa accade attorno a me? Perché e come avviene un determinato fenomeno? Esistono regolarità e/o analogie fra i fenomeni che osservo? Sono in grado di predire con accuratezza l’accadimento di un fenomeno? La Fisica nasce nel momento in cui si cerca di capire la realtà che ci circonda e diventa Scienza nel momento in cui le risposte che si trovano alle domande di cui sopra sono attendibili, condivise e verificabili da chiunque. Delle domande di cui sopra, in particolare la no. 4 è rilevante e differenzia la Fisica da altre Scienze, in cui l’aspetto classificativo (no. 3) può essere preponderante, quali la Botanica o la Mineralogia.

Per far questo è necessario seguire delle procedure che aumentino il grado di confidenza e completezza delle risposte che troviamo, specie se ciò comporta delle predizioni, per le quali non è possibile fare prima la prova. Per esempio: Come fa un ingegnere ad essere SICURO che il viadotto che ha progettato non crollerà? Come si può essere SICURI che un razzo raggiungerà Marte? Per far ciò l’Uomo ha elaborato il metodo scientifico, la cui rigorosa applicazione pur non essendo assoluta garanzia di correttezza dei risultati è tuttavia il più sicuro metodo di indagine a tutt’oggi trovato. In Fisica l’applicazione di tale metodo va sotto il nome di Paradigma

Il Paradigma delle Fisica è l’applicazione della seguente procedura: 1) 2) 2) 3) 4) Osservazione sperimentale di un numero grande ma limitato di fenomeni per postulare la validità generale di Principi e/o Leggi Deduzione teorica di possibili fenomeni dai principi (tesi) Verifica sperimentale delle deduzioni (antitesi) Eventuale correzione dell’insieme dei Principi (sintesi). Principi ione duz In Osservazioni De duz e Sì conferma Principi No elaborazione nuovi Principi Verifica Predizioni

Leggi di conservazione La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei) Le leggi della Fisica sono spesso formule matematiche stabiliscono che alcune grandezze fisiche si conservano e altre non si conservano durante un fenomeno fisico Esempi di leggi di conservazione (sistemi isolati): a) Principio di conservazione della Massa b) Principio di conservazione della Carica Elettrica c) Principio di conservazione della Quantità di Moto d) Principio di conservazione del Momento Angolare e) Principio di conservazione della Parità (Mec. Quant. ) f) Principio di conservazione dell’ Energia La validità delle leggi di conservazione implica che i fenomeni fisici avvengano mediante la trasformazione di alcune grandezze fisiche in altre (Nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma)

Energia In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzo di forze (macroscopiche o microscopiche) che compiono lavoro Il lavoro è quella porzione di energia che viene trasferita da un sistema ad un altro per l’azione di una forza L’energia, come la massa, la quantità di moto, il momento angolare è soggetta ad un principio di conservazione: per un sistema isolato l’energia non si crea e non si distrugge Io principio della Termodinamica Per ogni trasformazione termodinamica l’energia interna di un sistema fisico aumenta o diminuisce di un ammontare pari alla differenza fra l’energia uscente e l’energia entrante

Un biliardo senza attrito 1) Entra energia dall’esterno 2) L’energia entrata resta per sempre, se non viene dissipata o non fuoriesce B B A AA A A A A 3) Eventualmente l’energia si trasferisce da un sottosistema ad un altro B

Sistemi fisici complessi Un sistema fisico può essere molto complesso, perché costituito da molti sottosistemi, e questi a loro volta da molti altri e così via fino ad arrivare ad elementi, le particelle, che si presuppongono non ulteriormente scindibili e che possiedono almeno tre gradi di libertà (i punti materiali) La complessità consiste nel fatto che i molti sottosistemi possiedono energia e possono scambiarsela. Più sono i sottosistemi più complicato è ricostruire e controllare tutti i passaggi di energia ovvero predire l’evoluzione del sistema stesso. L’evoluzione di un sistema complesso dipende dal comportamento delle singole particelle: queste possono essere moltissime (e. g. in una mole di una sostanza vi sono 6. 02214 1023 atomi!!) e quindi le difficoltà di predire l’evoluzione di un sistema sono spesso tecnicamente insormontabili (risoluzione di 3 x 6 1023 equazioni differenziali accoppiate)

Dissipazione e Equipartizione dell’Energia L’energia di un sistema isolato tende a ripartirsi fra tutti i suoi gradi di libertà microscopici (Principio di equipartizione dell’energia), mano che il sistema tende all’equilibrio, in assenza di altri vincoli Pendolo di Osborne In assenza di attrito questo moto continuerà per sempre (l’energia si conserva) Ma cosa succederebbe se esistessero dei gradi di libertà interni al corpo?

Nel moto del pendolo la Forza di Gravità trasforma continuamente l’Energia Potenziale e in Cinetica e viceversa, lasciandone inalterata la somma, l’Energia Totale L’energia del corpo è l’energia di tutte le particelle che lo costituiscono: se esse possono muoversi lo faranno utilizzando la parte di energia totale che compete loro

Ma quando ciò accade, i moti dei singoli individui non saranno coordinati e differiranno dal moto del baricentro del corpo (che, p. es. , cercherà di oscillare) Si comprende quindi che una volta che parte dell’energia viene ceduta ai gradi di libertà microscopici difficilmente potrà accadere che le particelle si coordinino nel loro moto in maniera completa. Di conseguenza il moto del baricentro, ovvero il moto del corpo come un tutto, perderà via sempre più energia fino a fermarsi del tutto, cioè l’ampiezza delle oscillazioni si ridurrà fino a zero Questo fenomeno è onnipresente in Natura e va sotto il nome di DISSIPAZIONE: L’Energia totale si conserva, solo che non può più essere UTILIZZATA

Utilizzabilità dell’Energia Nelle trasformazioni di energia non è sempre possibile utilizzare tutta l’energia disponibile Ciò è ben illustrato dal Problema del Bravo Tipografo: Ritagliare un cartoncino di forma 100 x 70 cm 2 nel massimo numero di pezzi 40 x 30 cm 2 5 4 70 40 1 2 3 30 100 Questo è un problema di ottimizzazione, molto difficile da impostare ed ancor più da risolvere: minimizzare lo sfrido

Commenti sul Problema del Tipografo Il tipografo ha fatto un ottimo lavoro, il migliore possibile date le circostanze: ha minimizzato lo sfrido È cruciale per la minimizzazione dello sfrido che i tagli siano assolutamente coordinati: se il primo taglio fosse il seguente non sarebbe più possibile ottenere cinque pezzi 2 3 1 4 Ciò vuol dire che se il cartoncino fosse in un magazzino e differenti utenti andassero separatamente a prelevare un pezzo singolo, si potrebbe avere facilmente uno spreco di cartoncino se gli utenti non seguissero la regola di buon utilizzo, cioè di coordinazione, stabilita dal bravo tipografo

Il cartoncino rappresenta le risorse disponibili, cioè l’energia. Al momento del suo utilizzo però non è stato possibile sfruttare tutte le risorse disponibili. Ciò è quasi sempre vero, perché solo in particolarissime circostanze è possibile utilizzare tutte le risorse Pensate, per esempio, ad un’area di parcheggio: non è possibile utilizzarla tutta, perché le automobili hanno bisogno di spazio (le risorse disponibili) per parcheggiare L’uso scoordinato delle risorse non ne consente il pieno utilizzo

Pensate, per esempio, al bilancio di una regione: ad ogni assessorato vengono assegnate delle risorse finanziarie che un buon assessore vorrà spendere interamente nell’interesse pubblico. Egli le utilizzerà in vari tronconi, di solito mediante gare d’appalto. Ma alcuni lavori di grande utilità magari non si potranno effettuare perché i fondi non basteranno, specialmente se le risorse verranno spese in tanti piccoli/medi appalti NON COORDINATI fra loro. Alla fine dell’anno ci saranno delle risorse non utilizzabili: i residui passivi dei bilanci. In tal caso l’assessore non sarà stato un bravo tipografo.

Le risorse non più utilizzabili sono un danno. Se il bravo tipografo non è più in grado di riciclare il cartoncino di sfrido rimastogli (p. es. per fare dei biglietti da visita), lo butterà nel bidone della spazzatura, e da lì finirà magari in discarica o bruciato: contribuirà all’inquinamento Questo avanzo di risorse non utilizzabili è un costo enorme per la società: si pensi che dietro allo smaltimento dei rifiuti ci sono 1) le cosidette ecomafie; 2) l’inquinamento delle falde acquifere a causa delle discariche; 3) l’inquinamento da diossina dell’aria se si bruciano insieme carta e plastica; 4) etc.

Il Pendolo di Osborne vs. il problema del tipografo Il pendolo di Osborne e il problema del tipografo hanno una chiave di interpretazione comune dal punto di vista dell’utilizzo dell’Energia Il fatto che le singole particelle all’interno del corpo oscillante si muovano in maniera disordinata è il motivo per il quale il moto del corpo come un tutto si arresta. Se il taglio dei pezzi del cartoncino avviene in maniera disordinata, ci sarà molto sfrido Quindi, il disordine è la chiave di interpretazione Il disordine ovvero l’assenza di regole osservate da tutti gli individui non consente l’utilizzo di tutte le risorse disponibili, e di conseguenza crea un danno per il comportamento collettivo

Reversibilità ed irreversibilità Una trasformazione termodinamica spontanea è irreversibile. Questo è il caso di una miscela di acqua calda e fredda : una volta che si ha l’acqua tiepida non si ritorna più alla Situazione di acqua fredda e calda separate Una trasformazione reversibile è molto difficile da realizzare anche in laboratorio. È ovvio che in una trasformazione reversibile il sistema deve passare per tutti gli stati di equilibrio intermedi fra lo stato iniziale e finale, lungo l’assegnata trasformazione Questa differenza fra reversibilità ed irreversibilità è una profonda differenza fra la Meccanica e la Termodinamica. La Meccanica è per definizione reversibile, perché le equazioni di Newton sono quadratiche nel tempo: non si può stabilire per mezzo delle equazioni della dinamica il verso del tempo

Nel caso del pendolo di Osborne il moto delle particelle all’interno del cilindro segue certamente le leggi delle dinamica e certamente il moto delle particelle interne è reversibile e segue le leggi di Newton Tuttavia noi abbiamo visto che il moto del pendolo si smorza rapidamente, e non accade mai che il moto delle singole particelle sia coordinato in modo tale da far continuare le oscillazioni, né accade mai che una volta che il pendolo si sia fermato esso si rimetta spontaneamente in moto Supponiamo di aver ordinato un mazzo di carte per seme ed in ordine crescente, dall’asso fino al re. Se ora lo lasciamo cadere per terra sarà estremamente improbabile che le carte raccolte siano nello stesso ordine di partenza Tuttavia noi possiamo filmare la caduta e proiettare il filmato all’incontrario: vedremo ciascuna carta eseguire il suo moto in maniera assolutamente reversibile e ritornare alla sua posizione iniziale Ma questo non accade mai, così come è estremamente improbabile che se raccogliessimo le carte da terra queste si ricompongano nell’ordine iniziale

Ciò dipende dal fatto che le possibili permutazioni di 52 (o 40) carte sono ben 52! (40!) di conseguenza la probabilità che si realizzi di nuovo la configurazione ordinata di partenza è solo Si pensi che 52!=8. 0658175171 x 1067 (40!=8. 1591528325 x 1047) Un fatto analogo accadrebbe se avessimo in una scatola tante biglie bianche e nere, inizialmente completamente separate: se agitiamo la scatola le biglie si mescolano e per quanto proviamo sarà estremamente improbabile che le biglie ritornino nella configurazione iniziale Per ottenere la reversibilità del moto dobbiamo costringere (cambiando il segno di tutte le velocità) le particelle a muoversi tutte contemporaneamente all’incontrario Ma nella realtà ciò non accade mai, quindi dobbiamo assumere un nuovo principio di fisica che fissi il verso del tempo: visto che l’energia si trasferisce dal moto macroscopico ai gradi di libertà microscopici e non all’incontrario questo fissa la freccia del tempo

Entropia Abbiamo visto come l’utilizzazione dell’energia disponibile sia soggetta a limitazioni che sembrano negare il Io principio della termodinamica Ciò suggerisce che si debba introdurre un nuovo principio di Fisica: il IIo Principio della Termodinamica Una possibile formulazione rigorosa: Esiste una funzione di stato, l’Entropia, le cui variazioni misurano quanta energia, ad una fissata temperatura, diventa inutilizzabile in una data Trasformazione: l’Entropia di un sistema isolato non può diminuire L’Entropia è massima quando un sistema isolato raggiunge l’EQUILIBRIO (NON conservazione) Equilibrio significa che tutti i sottosistemi (e. g. anche le singole particelle) hanno tutti la stessa energia, e quindi non si possono più avere scambi energetici da un sottosistema ad un altro: la morte termica

L’equilibrio termico assoluto è statico, ma fortunatamente esistono altre forme di equilibrio dinamico o stazionario La stazionarietà è, per esempio, caratteristica di quei sistemi non isolati che ricevono continuamente dall’ambiente esterno la stessa quantità di Energia per unità di tempo (p. es. al giorno) e ne restituiscono una parte E 1 E 2 Sistema stazionario Questo è il caso degli esseri viventi che si nutrono (cioè interagiscono con l’ambiente), ovvero è il caso della Terra che riceve dal Sole più o meno la stessa quantità di energia ogni giorno e che viene utilizzata dagli esseri viventi, dall’atmosfera, etc.

Come è usata l’energia da un sistema fisico? Un essere vivente si nutre di Entropia (E. Schrödinger). Questo vuol dire che un essere vivente è capace, sfruttando l’Energia che riesce ad assorbire dall’ambiente in cui vive (il nutrimento), di diminuire la propria entropia. Ma l’Entropia del sistema isolato {essere vivente + ambiente} comunque aumenterà, per il II principio della Termodinamica L’Energia viene usata da un sistema fisico tramite continue trasformazioni da un tipo in un altro. Come vedremo queste trasformazioni producono un aumento di Entropia totale ma si possono avere diminuizioni locali (e. g. in un singolo sottosistema) di Entropia, cosa che si può ottenere solo usando l’energia esterna. E 1 E 2 Sistema stazionario È possibile che

Accade quindi che l’utilizzo dell’Energia da parte del sistema fisico stazionario avviene mediante due tipi di processo in competizione fra loro: 1) 2) Processi che fanno crescere l’entropia di tutto il sistema stazionario (entropici) Processi che fanno diminuire l’entropia di tutto il sistema stazionario (sintropici) Il bilancio dinamico fra questi processi è delicatissimo: se si utilizza troppa energia per i processi entropici potrebbe non restare abbastanza energia per i processi sintropici Il sistema fisico continua a vivere (i suoi sottosistemi possono scambiare energia fra loro) se i processi entropici non soverchiano quelli sintropici In altre parole: se le trasformazioni di energia (e. g da meccanica in elettrica) fanno crescere troppo velocemente l’entropia rispetto a quei processi vitali che sono in grado di diminuire l’entropia del sistema, il risultato sarà un aumento continuo nel tempo dell’entropia del sistema Se l’aumento di entropia non è accompagnato da un aumento della energia proveniente dall’esterno, si arriverà ad un punto di non ritorno, il cosidetto Spartiacque Entropico: Entropico da quel momento in poi non sarà più possibile arrestare la continua crescita dell’entropia ed il sistema si avvicinerà inesorabilmente e velocemente alla morte termica

In sostanza la vita dell’uomo sulla Terra è possibile solo perché aumenta l’Entropia della Terra e dell’ambiente che lo circonda. L’uomo, di conseguenza, deve inquinare per vivere ma dovrebbe stare attento ad inquinare il meno possibile come il bravo tipografo. Altrimenti: 1) 2) Non utilizza al meglio le sue risorse Fa crescere troppo velocemente l’Entropia Altrimenti, cioè, si avvicina cioè allo Spartiacque Entropico

Un esempio storico-economico preso da J. Rifkin, Entropia, la Legge Fondamentale dell’Universo Alla fine del XV secolo le nazioni che dominavano il mondo e si facevano la guerra erano in una profonda crisi economica (p. es. gli armamenti costavano troppo) e la produttività della nazione non riusciva a coprire i costi. Nel linguaggio di questo seminario non c’era sufficiente Energia per ridurre l’Entropia del sistema fisico nazione Ci volle infatti la scoperta della America (12/10/1492) per far affluire in Europa risorse sufficienti a governare ed a ricominciare le guerre. Il sistema fisico Europa era vicino allo spartiacque entropico.

Conclusioni Le limitazioni nell’utilizzo dell’energia che derivano dal II 0 Principio della Termodinamica fanno sì che sia inevitabile l’aumento dell’Entropia, e quindi l’inquinamento, nelle trasformazioni di energia, essenziali per la vita dell’Uomo sulla Terra È tuttavia possibile benché difficile, come il problema del tipografo dimostra, utilizzare le risorse in modo da minimizzare gli aumenti di Entropia e quindi l’inquinamento Recenti studi sostengono che agli attuali ritmi di consumo 1) il petrolio prodotto basterà al massimo per altri 20 (40? ) anni 2) il combustibile nucleare al massimo per altri 30 (50? ) anni Siamo vicini ad un nuovo storico spartiacque entropico? Che fare? Le migliori ricette sembrerebbero: 1) Diminuire DRASTICAMENTE i consumi 2) Utilizzare al meglio le risorse, cosa che si può ottenere solo con AZIONI COORDINATE E SOLIDALI perché solo un comportamento collettivo minimizzerà gli aumenti di ENTROPIA

Macchine termiche Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo (ovvero qualunque sistema fisico) è una macchina termica: un apparato che consente di trasformare energia da un tipo ad un altro P. es. un motore d’auto trasforma energia chimica in meccanica; un alternatore trasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energia elettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in energia termica; etc. Queste trasformazioni sono ovviamente tutte irreversibili, quindi vi sarà sempre una parte della energia inizialmente disponibile trasformata in calore, a causa della dissipazione. Tutte queste macchine, che servono a migliorare la vita dell’uomo, cioè che sono il progresso, hanno un rendimento inferiore ad 1 Questo fatto è inevitabile a causa del IIo principio e porta ad un aumento dell’Entropia dell’ambiente.

Centrali elettriche Anche le centrali elettriche trasformano l’energia, spesso da termica in elettrica Le centrali idroelettriche usano l’energia cinetica dell’acqua alla base di una cascata per far ruotare le turbine. Basso rendimento e grande impatto ambientale (dighe, deviazioni di corsi d’acqua, creazioni di invasi artificiali, ecc. ) Le centrali termoelettriche convenzionali trasformano l’energia termica che si sviluppa nella combustione di idrocarburi (o altro) in energia meccanica. Questa è usata per far ruotare un alternatore (turbina) che produce energia elettrica (Legge di Faraday-Neumann). Basso rendimento ed grandi emissioni di gas serra e polveri sottili Le centrali termonucleari trasformano l’energia termica che si sviluppa nella fissione nucleare dell’Uranio per azionare le turbine. Rendimento più alto, limitate emissioni di gas e polveri (40% delle centrali convenzionali), scorie radioattive per migliaia di anni, uso di enormi quantità di acqua.

Effetto di una piccola centrale termoelettrica sulla formazione di nuvole dense (PM 10) www. nasa. gov Distanza = 130 Km

www. nasa. gov Australia Costa Est degli USA

Finlandia: Olkiluoto 3 Una delle due centrale di tipo “ 3” oggi in costruzione al mondo (l’altra è in Francia) Dati presi da http: //www. power-technology. com/projects/Olkiluoto/ Firma del Contratto Dicembre 2003 Permesso di costruzione January 2005 Inizio di operatività pianificato 2010 (posticipato già due volte) Potenza termica circa 4300 MW Potenza elettrica circa 1600 MW Rendimento Plant Type EPR 36% (Evolutionary Power Reactor) Nuclear Construction of the Finnish Olkiluoto 3 1600 MWe nuclear power plant has been delayed again; this time the plant is scheduled for completion by 2010 at the earliest. This, the fifth Finnish nuclear reactor, is an EPR (Evolutionary Power Reactor) Pressurised Water Reactor and is being constructed by a consortium formed by Areva and Siemens. The EPR is the only third-generation reactor currently under construction in the world, and Olkiluoto 3 will be the first third-generation type to come on line. The overall project cost was € 3. 2 bn.

Termovalorizzatori Termine che si usa solo in Italia Si tratta di inceneritori di rifiuti (CDR) che però recuperano una parte della energia termica per produrre energia elettrica, come una centrale termoelettrica. Bassissimo rendimento, grande impatto ambientale, enormi emissioni di gas e polveri, smaltimento delle ceneri, costosissimi sistemi di filtraggio e manutenzione e smaltimento dei filtri Precisazione: come l’energia, anche la Massa non si crea e non si distrugge, pertanto un inceneritore non fa sparire i rifiuti, ma li trasforma in ceneri e gas. In realtà un inceneritore è un compattatore chimico dei rifiuti, che riduce il volume dei rifiuti pagando il prezzo della emissione di grandi quantità di CO 2 ed altri gas più o meno tossici (e. g. diossina), polveri sottili, metalli pesanti ecc.

Riflettività ed Effetto Serra Accanto al fenomeno dell’assorbimento c’è un altro fenomeno rilevante per i problemi ambientali: la riflettività Quando un’onda elettromagnetica investe la superficie di un corpo parte dell’energia trasportata viene trasmessa (e quindi magari assorbita) parte viene rimandata indietro r 2 i r 1 Quanta energia può passare al secondo mezzo e quanta ritorna nel primo, tramite l’onda riflessa, dipende dalle proprietà del secondo mezzo. P. es. l’argento rimanda indietro quasi tutta l’energia che l’investe (fino alla luce visibile) ed è, infatti, il miglior materiale per costruire gli specchi

L’emisfero terrestre assorbe energia dal Sole per dodici ore e nelle successive dodici si raffredda emettendo radiazione infrarossa (come tutti i corpi a temperatura non nulla) Questa cessione di energia è vitale: così infatti la Terra si mantiene in equilibrio termico e i fenomeni biofisici e biochimici che avvengono sulla superficie possono continuare ad avvenire (p. es. il ciclo dell’acqua, la funzione clorofilliana, i ghiacciai, etc. ) Il vetro (o il nylon) che racchiude una serra consente alla luce di passare ma impedisce al calore di fuoruscire perché è un ottimo isolante termico: cioè ha la proprietà di riflettere la radiazione infrarossa Ora, se la Terra fosse avvolta da uno strato di grande riflettività nell’infrarosso, queste radiazioni ritornerebbero sulla superficie e la Terra non si potrebbe raffreddare con la conseguente alterazione dei processi biofisici e biologici che su di essa avvengono Purtroppo così è. I motori ad idrocarburi, particolarmente quelli delle centrali elettriche, producono una enorme quantità di cosidetti gas serra come l’anidride carbonica. Questi gas si stabilizzano ad una certa quota nell’atmosfera e costituiscono uno strato che ha una grande riflettività nell’infrarosso. Questo rallenta la velocità di raffreddamento della Terra ed ha drammatiche conseguenze come la desertificazione, la tropicalizzazione del Clima, etc. Si rifletta che tutto ciò dipende dalla produzione di Entropia, cioè del forse non ottimale uso delle risorse

www. nasa. gov

Stima dell’Aumento di alcuni Gas Serra dalla Rivoluzione Industriale ad Oggi www. nasa. gov

Lo Spettro delle onde elettromagnetiche Lunghezza d’onda l=10 n m n= 6 4 2 Onde radio (lunghe) 0 -2 -4 -6 -8 4 -14 Raggi Luce visibile infrarosso Radio diffusione (onde medie) 2 -12 Raggi X Onde radio (corte) TV k= -10 ultravioletto radar 6 8 10 12 14 Frequenza n=10 k Hz 16 18 20 22

Assorbimento e Ozonosfera Supponiamo che un’onda elettromagnetica piana passi dal vuoto alla materia Vuoto Materia -e -e -e +e +e +e z L’atomo, sotto l’azione del campo elettrico, oscillerà come un oscillatore armonico smorzato e forzato. Se la frequenza dell’onda è vicina alla frequenza di risonanza dell’atomo, allora l’ampiezza delle oscillazioni sarà grande. Se l’atomo oscilla vuol dire che l’onda elettromagnetica compie lavoro, cioè trasferisce energia alla materia. Se l’atomo non oscilla, perché la sua frequenza propria è molto diversa dalla frequenza dell’onda, allora questo trasferimento di energia non avviene.

La funzione che descrive la risposta della materia all’onda e. m. si chiama suscettività, e tipici andamenti in funzione delle frequenza sono mostrati nella seguente figura: La suscettività quindi assume relativamente grandi valori alla frequenza di risonanza e tende a zero per frequenze elevate. È piccola ma non nulla per bassa frequenza. Ciò vuol dire che per alta frequenza (rispetto alla frequenza di risonanza) la materia assorbe poco le radiazioni. Infatti i raggi attraversano la materia abbastanza indisturbati

In pratica succede che l’ampiezza dell’onda, e quindi la sua intensità decresce all’interno della materia Vuoto Materia z =0. 2 =0. 8 Se l’ampiezza si annulla, cioè l’onda viene assorbita, allora il corpo investito dalla radiazione sarà opaco. Al contrario se l’onda viene assorbita poco, il corpo potrà essere trasparente Le diverse sostanze assorbono le radiazioni solari in regioni (o bande) di frequenze a volte differenti. L’ozono (O 3), per esempio assorbe moltissimo i raggi ultravioletti Siccome l’esposizione ai raggi ultravioletti è dannosa per le molecole biologiche (altera le reazioni biochimiche alla base della vita) la presenza nell’atmosfera di uno spesso strato di ozono impedisce ai raggi ultravioletti di giungere fin sulla superficie terrestre ed è, quindi, uno dei molti strumenti necessari alla vita su questo pianeta.

www. nasa. gov