Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica Cicli di Seminari di formazione ed informazione politica

Ambiente, Inquinamento e Leggi della fisicaAmbiente, Inquinamento e Leggi della fisica

Democratici di SinistraFederazione Provinciale di Messina

Sezione Antonio Gramsci

MESSINA – 18/03/04 (Beniamino Ginatempo)

Piano del seminarioPiano del seminario

Parte I: Fondamenti della Fisica1) La Fisica e la Filosofia2) La Fisica e la Storia

Parte II: l’Energia e la sua utilizzazione (Entropia)1) Energia2) Sistemi fisici complessi3) Utilizzazione dell’Energia e dissipazione4) Entropia: Sistemi stazionari la vita e la morte (termica)5) Inquinamento6) Spartiacque entropico

Parte III: Il buco dell’ozono e l’effetto serra1) Assorbimento2) Ozonosfera e ciclo dell’ozono3) Riflettività4) Effetto serra

La Fisica o Filosofia NaturaleLa Fisica o Filosofia Naturale

Si comincia a fare Fisica nel momento in cui ci si chiede, per esempio:

1) Cosa accade attorno a me?2) Perché e come avviene un determinato fenomeno?3) Esistono regolarità e/o analogie fra i fenomeni che osservo?4) 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 ediventa Scienza nel momento in cui le risposte che si trovano alle domande dicui sopra sono incontrovertibili e verificabili da chiunque.

Delle domande di cui sopra, in particolare la no. 4 è rilevante e differenzia la Fisicada altre Scienze, in cui l’aspetto classificativo (no. 3) può essere preponderante,quali la Mineralogia.

Il Paradigma della FisicaIl Paradigma della Fisica

La Natura è scritta nel linguaggio della Matematica (G. Galilei)

Galileo Galilei, il primo grande fisico sperimentale, si accorse che era possibileriassumere le regolarità osservabili nei fenomeni naturali mediante formulematematiche, a volte anche molto semplici: le Leggi della Fisica.

Il suo metodo (provando e riprovando) consisteva nel ripetere, in manieracontrollata, molte osservazioni (esperimenti) e dai risultati tramite unprocedimento induttivo stabilire Principi e Leggi.

Tale metodo è, per forza di cose, insufficiente: pur essendo molti i casi incui una Legge è trovata valida, il numero di casi esplorati è comunque limitatoed è una pretesa (induzione) voler applicare tale legge a casi non ancora noti.

Isaac Newton si accorse che una volta postulati i Principi, tuttavia, tramitela Matematica era possibile dedurre altre leggi (a priori) e formulare dellepredizioni (un po’ come la dimostrazione dei teoremi) di fenomeni non ancoraverificati o scoperti.

La verifica sperimentale (a posteriori) di questi nuovi fenomeni, qualorapositiva, dà forza al metodo ed è una conferma indiretta della validità deiPrincipi.

Qualora, al di là di ogni dubbio, il fenomeno predetto non avvenga, allora siè in presenza di un fatto nuovo che implica la necessità di formulare dei nuoviprincipi a PARZIALE correzione di quelli già stabiliti (falsificazione).

Possiamo quindi individuare la seguente procedura:

1) Osservazione sperimentale di un numero grande ma limitato di fenomeniper postulare la validità generale di Princìpi e/o Leggi

2) Deduzione teorica di possibili fenomeni dai principi (tesi)3) Verifica sperimentale delle deduzioni (antitesi)4) Eventuale correzione dell’insieme dei Principi (sintesi).

OsservazioniOsservazioni

PrincìpiPrincìpi

PredizioniPredizioniSì conferma Principi

Noelaborazione nuovi Principi

VerificaVerifica

Induzione

Deduzione

La Fisica e la StoriaLa Fisica e la Storia

La Storia non è altro che una complicata sequenza di fenomeni fisici

Questi fenomeni per quanto complicati e contraddittori sono stati e sarannoregolati dalle leggi della Fisica

Va detto che nello studio di sistemi fisici molto complessi, quale l’Umanità,le leggi della Fisica perdono predittività (Ilya Prigogine, La fine delle certezze)

Ciò è dovuto al fatto che le predizioni fisiche risultano dalla imposizione dicondizioni al contorno su certe equazioni: al cambiare delle condizioni cambianoi risultati. Esempio: se un’automobile viaggia a 100Km/h arriverà da Messina-Tremestieri a Catania-S.Gregorio in 45 minuti. Questo sarà vero se l’automobilenon si guasta, se non cade un viadotto, se non ha incidenti, ecc.

EnergiaEnergia

AA BBBB

AA

L’energia è una grandezza fisica che misura la capacità di un sistema fisicodi compiere lavoro

L’energia si può trasferire da un sistema ad un altro, e ciò accade per mezzodi forze

BBAA

BBAA AA

BB

AA

BB

AA BBAA

BB

AA

BB

AA BBBBAA

BB

AA

BBAA BBAA BB

L’energia di un sistema isolato si conserva(non si crea e non si distrugge)

IIoo principio della Termodinamica principio della Termodinamica

L’animazione precedente esemplifica l’energia meccanica.Ma il concetto di energia è molto più vasto e profondo

In generale l’energia rappresenta le risorse possedute da un sistema fisico

Anche il concetto di sistema fisico è estremamente generale

I sistemi possiedono risorse (Energia) e possono, interagendo, scambiarsele

Un sistema fisico può essere molto complesso, perché costituito da moltisottosistemi, e questi a loro volta da molti altri e così via fino ad arrivaread elementi, le particelle, che si presuppongono non ulteriormente scindibili

La complessità consiste nel fatto che i molti sottosistemi possiedono energiae possono scambiarsela. Più sono i sottosistemi più complicato è ricostruiree controllare tutti i passaggi di energia ovvero predire l’evoluzione delsistema stesso.

Non è ancora possibile calcolare (predire) il moto di tutte le particelledi una mole di gas

Bisogna risolvere un sistema di 6x1023 equazioni differenziali in 6x1023 incogniteper ogni istante

Presto si costruiranno computers (World Simulator) capaci di eseguire ben1014 operazioni al secondo

Per eseguire 1023 operazioni ci vorranno 109 secondi

Tutti i sistemi naturali sono sistemi complessi, nel senso che la loro evoluzionedipende dal comportamento individuale delle singole particelle: queste possonoessere moltissime (e.g. in una mole di una sostanza vi sono sono 6.02214 1023

atomi!!) e quindi le difficoltà di predire l’evoluzione di un sistema sono spessotecnicamente insormontabili

Alcuni tempi caratteristici in secondi

Evento Tempo (sec)Periodo dell’elettrone 10-16

Onde di spin 10-11

Diffusione degli atomi 10-6

Battito cardiaco 1

Rotazione terrestre (giorno) 86.4x103

Rivoluzione terrestre 31.6x106

Secolo 3.2x109

Tempo dalla Nascita di Cristo 63.2x109

Età della Terra 0.5x1013

Nascita dell’universo 1018

Dissipazione e Equipartizione dell’EnergiaDissipazione e Equipartizione dell’Energia

La complessità di un sistema fisico risiede nel fatto che i suoi sottosistemi,ovvero le sue particelle possiedono dei gradi di libertà

Il punto materiale, la particella elementare della Fisica Classica, possiede3 gradi di libertà traslazionali

Un manubrio (e.g. “una molecola biatomica”) ha 3 gradi di libertà traslazionali,(il suo baricentro può traslare in tre direzioni ortogonali), più 2 gradi di libertàrotazionali

simulazione

L’energia di un sistema isolato tende a ripartirsi fra tutti i suoi gradi dilibertà microscopici (Principio di equipartizione dell’energia), man mano cheil sistema tende all’equilibrio, in assenza di altri vincoli

Pendolo di OsbornePendolo 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?

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 totaleche compete loro

Nel moto del pendolo la Forza di Gravità trasforma continuamente l’EnergiaPotenziale e in Cinetica e viceversa, lasciandone inalterata la somma,l’Energia Totale

Ma quando ciò accade, i moti dei singoli individui non saranno coordinatie 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 aigradi di libertà microscopici difficilmente potrà accadere che le particelle sicoordinino nel loro moto in maniera completa. Di conseguenza il moto delbaricentro, ovvero il moto del corpo come un tutto, perderà via via semprepiù energia fino a fermarsi del tutto, cioè l’ampiezza delle oscillazioni si ridurràfino a zero

Questo fenomeno è onnipresente in Natura e va sotto il nome di DISSIPAZIONE.Ma l’Energia totale si conserva, solo che non può più essere UTILIZZATA

Utilizzabilità dell’EnergiaUtilizzabilità dell’Energia

Nelle trasformazioni di energia non è sempre possibile utilizzare tutta l’energiadisponibile

Ciò è ben illustrato dal Problema del Bravo Tipografo:

Ritagliare un cartoncino di forma 100x70 cm2 nel massimo numero di pezzi 40x30cm2

70

100

30

40

1

2 3

45

Questo è un problema di ottimizzazione, molto difficile da impostare ed ancorpiù da risolvere: minimizzare lo sfrido

Commenti sul Problema del TipografoCommenti sul Problema del Tipografo

Il tipografo ha fatto un ottimo lavoro, il migliore possibile date le circostanze: haminimizzato lo sfrido

È cruciale per la minimizzazione dello sfrido che i tagli siano assolutamentecoordinati: se il primo taglio fosse il seguente non sarebbe più possibile ottenerecinque pezzi

1

2 3

4

Ciò vuol dire che se il cartoncino fosse in un magazzino e differenti utentiandassero separatamente a prelevare un pezzo singolo, si potrebbe averefacilmente uno spreco di cartoncino se gli utenti non seguissero la regola dibuon utilizzo, cioè di coordinazione, stabilita dal bravo tipografo

Il cartoncino rappresenta le risorse disponibili, cioè l’energia. Al momentodel suo utilizzo però non è stato possibile sfruttare tutte le risorse disponibili.Ciò è quasi sempre vero, perché solo in particolarissime circostanze è possibileutilizzare tutte le risorse

Pensate, per esempio, al bilancio di una regione: ad ogni assessorato vengonoassegnate delle risorse finanziarie che un buon assessore vorrà spendereinteramente 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 ifondi non basteranno, specialmente se le risorse verranno spese in tantipiccoli/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 ingrado di riciclare il cartoncino di sfrido rimastogli (p.es. per fare dei biglietti davisita), lo butterà nel bidone della spazzatura, e da lì finirà magari in discarica obruciato: contribuirà all’inquinamento

Questo avanzo di risorse non utilizzabili è un costo enorme per la società: si pensiche dietro allo smaltimento dei rifiuti ci sono1) 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.

Cosa accomuna il Pendolo di Osborne ed il problema del tipografo?Cosa accomuna il Pendolo di Osborne ed il problema del tipografo?

Il pendolo di Osborne e il problema del tipografo hanno una chiave diinterpretazione comune dal punto di vista dell’utilizzo dell’Energia

Il fatto che le singole particelle all’interno del corpo oscillante si muovano inmaniera disordinata è il motivo per il quale il moto del corpo come un tutto siarresta.

Se il taglio dei pezzi del cartoncino avviene in maniera disordinata, ci saràmolto sfrido

Quindi, il disordine è la chiave di interpretazioneQuindi, il disordine è la chiave di interpretazione

Il disordine ovvero l’assenza di regole osservate da tutti gli individui non consentel’utilizzo di tutte le risorse disponibili, e di conseguenza crea un danno per ilcomportamento collettivo

Trasformazioni dell’energia e inquinamentoTrasformazioni dell’energia e inquinamento

Qualunque applicazione tecnologica dell’uomo 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 alternatoretrasforma l’energia meccanica in elettrica; una lampadina trasforma l’energiaelettrica in luce; una stufa trasforma l’energia elettrica in energia termica; etc.

Tuttavia accanto a queste trasformazioni, che sono irreversibili, vi sarà sempreuna parte della energia inizialmente disponibile trasformata in calore, a causadella dissipazione. Tutte queste macchine, che servono a migliorare la vitadell’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 aumentodell’Entropia dell’ambiente.

EntropiaEntropia

Abbiamo visto come l’utilizzazione dell’energia disponibile sia soggetta alimitazioni che sembrano negare il Io principio della termodinamica

Ciò suggerisce che si possa introdurre un nuovo principio di Fisica: il

IIIIoo Principio della Termodinamica Principio della Termodinamica

Una possibile formulazione rigorosa:

Esiste una funzione di stato, l’Entropia, le cui variazioni misurano quantaenergia, ad una fissata temperatura, diventa inutilizzabile in una dataTrasformazione: l’Entropia di un sistema isolato non può diminuire

L’Entropia è massima quando un sistema isolato raggiunge l’EQUILIBRIO

Equilibrio significa che tutti i sottosistemi (e.g. anche le singole particelle) hannotutti la stessa energia, e quindi non si possono più avere scambi energetici da unsottosistema ad un altro: la morte termica

L’equilibrio termico assoluto è statico, ma fortunatamente esistono altreforme di equilibrio dinamico o stazionario

La stazionarietà è, per esempio, caratteristica di quei sistemi non isolati chericevono continuamente dall’ambiente esterno la stessa quantità di Energiaper unità di tempo (p.es. al giorno) e ne restituiscono una parte

Sistema stazionario

E1

Sistema stazionario

E2

Sistema stazionario

E1 E2

Questo è il caso degli esseri viventi che si nutrono (cioè interagiscono conl’ambiente), ovvero è il caso della Terra che riceve dal Sole più o meno la stessaquantità di energia ogni giorno e che viene utilizzata dagli esseri viventi, dall’atmosfera, etc.

.tcosEE 21

Un essere vivente si nutre di Entropia (E. Schrödinger).Questo vuol dire che un essere vivente è capace, sfruttando l’Energia che riescead assorbire dall’ambiente in cui vive (il nutrimento), di diminuire la propriaentropia. Ma l’Entropia del sistema isolato {essere vivente + ambiente}comunque aumenterà, per il II principio della Termodinamica

Come è usata l’energia da un sistema fisico?

L’Energia viene usata da un sistema fisico tramite continue trasformazionida un tipo in un altro. Come vedremo queste trasformazioni producono unaumento di Entropia totale ma si possono avere diminuizioni locali (e.g. in unsingolo sottosistema) di Entropia, cosa che si può ottenere solo usandol’energia esterna.

Sistema stazionario

E1 E2

0SÈ possibile che

Accade quindi che l’utilizzo dell’Energia da parte del sistema fisico stazionario avvienemediante due tipi di processo in competizione fra loro:

Il bilancio dinamico fra questi processi è delicatissimo: se si utilizza troppa energia peri 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) fannocrescere troppo velocemente l’entropia rispetto a quei processi vitali che sono in gradodi diminuire l’entropia del sistema, il risultato sarà un aumento continuo nel tempodell’entropia del sistema

Se l’aumento di entropia non è accompagnato da un aumento della energia provenientedall’esterno, si arriverà ad un punto di non ritorno, il cosidetto Spartiacque Entropico:da quel momento in poi non sarà più possibile arrestare la continua crescita dell’entropiaed il sistema si avvicinerà inesorabilmente e velocemente alla morte termica

1) Processi che fanno crescere l’entropia di tutto il sistema stazionario (entropici)2) Processi che fanno diminuire l’entropia di tutto il sistema stazionario (sintropici)

In sostanza la vita dell’uomo sulla Terra è possibile solo perché aumental’Entropia della Terra e dell’ambiente che lo circonda.

L’uomo, di conseguenza, deve inquinare per vivere ma dovrebbe stare attentoad inquinare il meno possibile come il bravo tipografo. Altrimenti:

1) Non utilizza al meglio le sue risorse2) Fa crescere troppo velocemente l’Entropia

Altrimenti, cioè, si avvicina cioè allo Spartiacque Entropico

Un esempio storico-economico preso daJ. Rifkin, Entropia la Legge Fondamentale dell’Universo

Alla fine del XV secolo le nazioni che dominavano il mondo e si facevano laguerra erano in una profonda crisi economica (p.es. gli armamenti costavanotroppo) e la produttività della nazione non riusciva a coprire i costi.

Nel linguaggio di questo seminario non c’era sufficiente Energia per ridurrel’Entropia del sistema fisico nazione

Ci volle infatti la scoperta della America (12/10/1492) per far affluire inEuropa risorse sufficienti a governare ed a ricominciare le guerre.Il sistema fisico Europa era vicino allo spartiacque entropico.

Lo Spettro delle onde elettromagneticheLo Spettro delle onde elettromagnetiche

Frequenza =10k Hz

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22k =

Lunghezza d’onda =10n m

6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14n=

Radio diffusione(onde medie)

Luce visibile

Onderadio(lunghe)

Onde radio(corte)

TV

radar

infrarosso

ultravioletto

Raggi X

Raggi

Assorbimento e OzonosferaAssorbimento e OzonosferaSupponiamo che un’onda elettromagnetica piana passi dal vuoto alla materia

Vuoto Materia

-e

+e tzyxE ,,,

z

-e

+e

-e

+e

-e

+e

-e

+e

L’atomo, sotto l’azione del campo elettrico, oscillerà come un oscillatore armonicosmorzato e forzato. Se la frequenza dell’onda è vicina alla frequenza di risonanzadell’atomo, allora l’ampiezza delle oscillazioni sarà grande.

Se l’atomo oscilla vuol dire che l’onda elettromagnetica compie lavoro, cioè trasferisceenergia alla materia. Se l’atomo non oscilla, perché la sua frequenza propria è moltodiversa 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, etipici andamenti in funzione delle frequenza sono mostrati nella seguente figura:

0

5 10-6

1 10-5

1.5 10-5

=100=200=400=600

0 500 1000 1500 2000

La suscettività quindi assume relativamente grandi valori alla frequenza di risonanzae 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 materiaassorbe poco le radiazioni. Infatti i raggi attraversano la materia abbastanzaindisturbati

In pratica succede che l’ampiezza dell’onda, e quindi la sua intensità decresce all’internodella materia

=0.2=0.8z

Vuoto Materia

Se l’ampiezza si annulla, cioè l’onda viene assorbita, allora il corpo investito dalla radiazionesarà 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 frequenzea volte differenti. L’ozono (O3), per esempio assorbe moltissimo i raggi ultravioletti

Siccome l’esposizione ai raggi ultravioletti è dannosa per le molecole biologiche (altera lereazioni biochimiche alla base della vita) la presenza nell’atmosfera di uno spesso stratodi ozono impedisce ai raggi ultravioletti di giungere fin sulla superficie terrestre ed è,quindi, uno dei molti strumenti necessari alla vita su questo pianeta.

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Riflettività ed Effetto SerraRiflettività ed Effetto Serra

Accanto al fenomeno dell’assorbimento c’è un altro fenomeno rilevante per i problemiambientali: la riflettività

Quando un’onda elettromagnetica investe la superficie di un corpo parte dell’energiatrasportata viene trasmessa (e quindi magari assorbita) parte viene rimandata indietro

i

r2

r1

Quanta energia può passare al secondo mezzo e quanta ritorna nel primo, tramite l’ondariflessa, dipende dalle proprietà del secondo mezzo. P. es. l’argento rimanda indietroquasi tutta l’energia che l’investe (fino alla luce visibile) ed è, infatti, il miglior materialeper costruire gli specchi

L’emisfero terrestre assorbe energia dal Sole per dodici ore e nelle successive dodici siraffredda 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 termicoe i fenomeni biofisici e biochimici che avvengono sulla sua superficie possono continuaread 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 impedisceal calore di fuoruscire perché è un ottimo isolante termico: cioè ha la proprietà diriflettere la radiazione infrarossa

Ora, se la Terra fosse avvolta da uno strato di grande riflettività nell’infrarosso, questeradiazioni ritornerebbero sulla sua superficie e la Terra non si potrebbe raffreddarecon 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. Questigas si stabilizzano ad una certa quota nell’atmosfera e costituiscono uno strato che ha unagrande riflettività nell’infrarosso. Questo rallenta la velocità di raffreddamento dellaTerra ed ha drammatiche conseguenze come la desertificazione, la tropicalizzazione delClima, etc.

Si rifletta che tutto ciò dipende dalla produzione di Entropia, cioè del forse non ottimaleuso delle risorse

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Stima dell’Aumento di alcuni Gas SerraStima dell’Aumento di alcuni Gas Serradalla Rivoluzione Industriale ad Oggidalla Rivoluzione Industriale ad Oggi

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Effetto di una piccola centrale termoelettricaEffetto di una piccola centrale termoelettricasulla formazione di nuvole dense (PM10)sulla formazione di nuvole dense (PM10)

Distanza = 130Km

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AustraliaAustralia Costa Est degli USACosta Est degli USAwww.nasa.gov

ConclusioniConclusioni

Le limitazioni nell’utilizzo dell’energia che derivano dal II0 Principio della Termodinamicafanno sì che sia inevitabile l’aumento dell’Entropia, e quindi l’inquinamento, nelletrasformazioni di energia, essenziali per la vita dell’Uomo sulla Terra

È tuttavia possibile benché difficile, come il problema del tipografo dimostra, utilizzarele risorse in modo da minimizzare gli aumenti di Entropia e quindi l’inquinamento

Recenti studi sostengono che agli attuali ritmi di consumo1) il petrolio prodotto basterà al massimo per altri 20 (40?) anni2) 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 consumi2) 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