Chiedo se è possibile costruire una macchina che eroghi più potenza in uscita che in entrata e ottenere così il “moto perpetuo”. Secondo me il primo principio della termodinamica è valido solo per macchine termiche e sono convinto che c’è un particolare meccanismo con cui costruire una macchina puramente meccanica a rendimento maggiore di uno.

l desiderio di trovare qualcuno che lo
sostituisse nelle sue attivita’ piu’ impegnative ha
sempre spinto l’uomo ha cercare delle soluzioni. Prima
dell’avvento della tecnologia queste soluzioni sono state
l’allevamento e le varie forme di servitu’ o schiavitu’.
Con le rivoluzioni industriali e’ iniziato un processo di
“sostituzione” del lavoro umano da parte di
macchine, processo che e’ in corso tuttora. Queste
macchine (cosi’ come gli animali dell’era preindustriale)
hanno sempre avuto bisogno di una fonte energetica (cibo
nel caso degli animali) per poter svolgere il loro
compito (1
). Se nella mente dell’uomo fu subito chiaro che
un animale non potesse sopravvivere se non adeguatamente
nutrito, occorse un po’ di tempo affinche’ lo stesso
“principio” fosse adeguatamente compreso nel
caso delle macchine.

Ancora oggi qualsiasi studente (me
compreso) che si avvicina per la prima volta alla
questione, si pone spontaneamente la domanda: ma siamo
sicuri che e’ proprio cosi’? Non e’ che c’e’ qualcosa che
e’ stato trascurato? I piu’ superficiali si rispondono:
se tante persone prima di me sono state convinte di cio’
vuol dire che e’ giusto cosi’; gli altri cercano di
“inventarsi” nuove fantasiose versioni di
macchine per il moto perpetuo. In effetti esistono
innumerevoli dispositivi che dovrebbero riuscire ad avere
un rendimento maggiore di uno, ma nessuno puo’
funzionare, per un semplice motivo: l’energia si
conserva. (2
)

Nel 1775 l’Académie royale comunicò
ufficialmente che non intendeva più esaminare progetti
di macchine per il moto perpetuo. Possiamo considerare
tale decisione come l’ingresso del concetto di energia
nella tecnologia contemporanea.

Il primo principio della termodinamica,
infatti, non fa altro che stabilire la conservazione
dell’energia in ambito termodinamico. Si tratta, ad
essere pignoli, di una formulazione incompleta, poiche’
l’ambito preso come riferimento non e’ tutta la fisica
conosciuta, ma solo la meccanica e la termodinamica. In
ogni caso la conservazione dell’energia e’ un principio
basilare e perfettamente verificato in ogni campo della
fisica.

Ma che cos’e’ l’energia, e perche’ si
conserva? Rispondere a questa domanda con le conoscenze
della fisica di questo secolo e’ un compito lungo ed
articolato (che richiederebbe una domanda apposita),
mentre e’ molto piu’ facile farlo con le conoscenze della
fisica classica. Nella fisica classica, infatti,
l’energia non e’ altro che un conto, uno stratagemma
matematico, che permette di descrivere velocemente il
comportamento di un sistema fisico. Nella fisica moderna,
al contrario, l’energia passa da una condizione
“subalterna” ad una condizione centrale ed
acquista una importanza fondamentale dal punto di vista
concettuale: da mero calcolo diventa concetto fisico.

Ma torniamo alla fisica classica:
l’energia posseduta da un corpo e’ definita come la
possibilita’ di compiere un “lavoro” (nel senso
fisico del termine). Ma che vuol dire, dunque,
“compiere un lavoro”? Il lavoro si compie
allorquando una forza provoca uno spostamento. Prendiamo
il caso di una palla sulla cima del monte: essa possiede
(per il semplice fatto “posizionale” di
trovarsi li’) la possibilita’ che una forza (il suo peso)
produca uno spostamento (la sua discesa a valle). Questo
e’ un esempio classico di “energia potenziale”,
anche se sarebbe piu’ opportuno chiamarla “energia
posizionale”, poiche’ dipende dalla posizione del
corpo. Un’altra forma di energia potenziale (o
posizionale) e’ quella posseduta da una molla: se questa
e’ spostata dalla sua posizione di equilibrio esercita
una forza che puo’ causare uno spostamento della molla
stessa e di quant’altro e’ ad essa collegato (per esempio
le lancette degli orologi con carica a molla).

Un’altra importante forma di energia e’
quella cosi’ detta “cinetica”, cioe’ presente
nei corpi in movimento. Consideriamo per esempio una
palla da biliardo in moto: essa possiede energia in
quanto puo’ compiere lavoro, per esempio su di una
seconda palla inizialmente ferma: la prima esercita una
forza sulla seconda e quest’ultima subisce uno
spostamento.

La conservazione dell’energia diventa
allora molto chiara intuitivamente, (almeno in ambito
puramente meccanico). Infatti l’energia che
“possiede” un corpo in una determinata
posizione (per esempio sulla cima di un monte oppure una
molla “caricata”) e’ quella che il corpo e’ in
grado di liberare se si lascia agire la forza in
questione (il peso, oppure le forze elastiche della
molla). Ma per “posizionare” il corpo nella
condizione in cui “possiede energia potenziale”
(cima del monte, molla carica), in passato qualcuno avra’
“speso” esattamente la stessa quantita’ di
energia che il corpo “ha accumulato”: infatti
per portare il corpo in quella posizione occorre
“vincere” la stessa forza (il peso o le forze
elastiche) nel fare lo spostamento inverso (per esempio
salire sulla montagna oppure caricare l’orologio). Quindi
non si puo’ “creare” energia utilizzando forme
di energia potenziale (posizionale).

Nel caso dell’energia cinetica le cose
si complicano leggermente, ma il risultato e’ sempre lo
stesso; l’energia che “possiede” un corpo in
movimento e’ esattamente la stessa che e’ occorsa per
portarlo nel suo stato di moto: a conti fatti occorre
“spendere” una forza per un certo spazio, per
far si’ che il corpo raggiunga la sua velocita’. Questa
forza puo’ anche essere diversa dalla quella che il corpo
puo’ “restituire” (per esempio durante un
urto), ma e’ chiaro che cio’ dipende dalla
“rapidita’” con la quale avviene
l’accelerazione (o la rapidita’ con cui si ferma il
corpo): una forza piu’ grande puo’ raggiungere lo stesso
risultato in uno spazio piu’ breve. Ed anche con la forma
“cinetica” dell’energia non e’ possibile creare
alcunche’.

Volendo esaminare anche altri ambiti
della fisica (termodinamica, elettromagnetismo, chimica,
fisica nucleare, etc) ci si puo’ sempre rifare a queste
due forme di energia qui esaminate.

Il calore, infatti, non e’ altro che
una forma di energia cinetica microscopica: si tratta del
moto incoerente degli atomi e delle molecole che
compongono un corpo macroscopico.

I vari tipi di energie elettriche e
magnetiche non sono altro che delle forme di energie
potenziali e cinetiche, dovute alla posizione ed al moto
reciproco delle cariche elettriche.

L’energia chimica “contenuta”
in vari tipi di combustibile non e’ altro che una forma
di energia posizionale: e’ la particolare disposizione
degli atomi nelle molecole che costituiscono il composto
chimico.

Stessa cosa nell’energia nucleare, solo
che qui sono i nucleoni contenuti nel nucleo a rilasciare
la loro energia posizionale spostandosi da un nucleo
all’altro.

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(nota 1)

In realta’ in base a recenti studi
risulta che l’attivita’ “intellettuale” (o
meglio calcolistica) non necessita di una quantita’
minima di energia. Insomma un calcolatore potrebbe
funzionare con pochissima energia (al contrario di quello
che accade in pratica, come ben sa chiunque abbia provato
a cuocere un uovo sul processore del suo computer). Di
contro per cancellare una memoria occorre una quantita’
non nulla di energia, ma sono stati proposti sistemi di
calcolo piu’ lenti per rendere nulla anche questa. In
ogni caso si tratta di una quantita’ di energia molto ma
molto minore di quella effettivamente consumata dai
computer effettivamente in circolazione.

(nota 2)

Esistono in commercio alcuni
dispositivi che fra le caratteristiche tecniche
dichiarano un rendimento maggiore di uno (tipicamente
uguale a circa 3): sono le pompe di calore. In realta’
questi dispositivi non violano affatto la conservazione
dell’energia. Vediamo di che si tratta. Una pompa di
calore e’ un dispositivo in grado di prelevare calore da
un ambiente freddo e di “trasportarlo” in un
ambiente caldo. Per far cio’ (in base al secondo
principio della termodinamica) occorre spendere energia.
In tutti i frigoriferi c’e’ una pompa di calore, che
preleva il calore dall’interno freddo del frigo e lo
porta all’esterno. Le pompe di calore in commercio
servono per riscaldare le abitazioni “a spese”
dell’aria esterna fredda (anche a 0°C nell’aria c’e’ un
grande quantitativo di calore). Ma poiche’ il calore
presente nell’aria esterna e’ gratuito, mentre si paga
solo il combustibile (oppure l’elettricita’), i
costruttori di questi dispositivi calcolano il rendimento
considerando solo l’energia “costosa” e non
quella “gratuita” che le pompe di calore
utilizzano. Se dichiarassero il rendimento vero,
considerando tutte le forme di energia utilizzate, questo
sarebbe minore di uno (ma sarebbe anche poco utile a
decidere quale dispositivo abbia minori costi di
esercizio)