Un sistema termodinamico è una qualunque porzione di spazio sede di materia ed energia e di processi che scambiano materia ed energia tra le varie parti del sistema o tra esso e l'esterno. Il sistema si dice isolato se non permette scambi di materia ed energia con l'esterno, altrimenti si dice aperto. Per un sistema termodinamico si possono enunciare due principi generali, il primo riguarda l'energia, il secondo l'entropia. Il primo principio afferma che la quantità totale di energia in un sistema isolato si conserva sempre. I processi interni possono trasferire quantità di energia da una porzione all'altra del sistema, possono trasformare l'energia nelle sue varie forme, ma in qualsiasi momento la somma di tutti i contributi rimane costante. Un principio del genere è estremamente potente in quanto stabilendo l'esistenza di una quantità rigorosamente conservata limita fortemente le possibilità di evoluzione del sistema, ci dice in pratica cosa il sistema non potrà mai fare.
Il primo principio però ci fornisce una condizione necessaria ma non sufficiente per l'evoluzione del sistema. Un processo è possibile se conserva l'energia totale ma non tutti i processi che conservano l'energia sono possibili. Molti processi che rispettano la conservazione dell'energia in realtà non possono avvenire. In un certo senso il primo principio è troppo permissivo ed evidentemente non basta a caratterizzare in modo completo quello che può succedere all'interno di un sistema termodinamico. Serve un vincolo ulteriore e questo viene introdotto con il secondo principio.
Il secondo principio ha diverse formulazioni, tutte ovviamente equivalenti ma che mettono in luce aspetti leggermente diversi. Ad esempio "l'energia meccanica di un sistema può essere interamente trasformata in calore ma il calore non può essere interamente trasformato in lavoro meccanico", e questo nonostante queste trasformazioni in entrambe le direzioni rispettino la conservazione dell'energia. Altro esempio "il calore fluisce sempre spontaneamente dai corpi caldi ai corpi freddi, cioè non è possibile che un sistema in equilibrio ad una certa temperatura ceda spontaneamente calore ad un sistema ad una temperatura più alta", e questo nonostante i passaggi di calore, sia dai corpi caldi ai freddi che viceversa, rispetterebbero tranquillamente la conservazione dell'energia del sistema complessivo. Queste due definizioni ci dicono che il secondo principio stabilisce un verso particolare ai processi laddove il primo principio non lo fa. Tecnicamente si può definire una funzione di stato detta Entropia e in tal caso il secondo principio ci dice che in un sistema isolato, in cui avvengono trasformazioni che portano da uno stato all'altro del sistema, l'entropia complessiva non diminuisce mai, rimane stazionaria o (più frequentemente) aumenta, sottolineando ancora in un'altra forma la direzionalità dei processi possibili. Un sistema termodinamico che evolve spontaneamente all'equilibrio rende massima la sua entropia totale.
L'interpretazione microscopica dell'entropia fornisce un'ulteriore formulazione del secondo principio: l'aumento dell'entropia può essere interpretato come il passaggio da uno stato del sistema relativamente ordinato ad uno di maggiore disordine, dove il grado di disordine è associato all'aumento del numero di configurazioni microscopiche che realizzano lo stesso stato macroscopico, che per questo motivo diventa uno stato estremamente probabile. Da questo punto di vista il secondo principio della termodinamica può essere riformulato dicendo che qualsiasi processo spontaneo di un sistema isolato aumenta il disordine del sistema stesso (raggiunge le configurazioni macroscopiche più probabili).
Un organismo vivente dal punto di vista termodinamico può essere definito come un sistema altamente organizzato e quindi ordinato. Questo però è un problema, perché lo stato di ordine deve essere assolutamente conservato, pena la morte dell'organismo. Se questo fosse un sistema isolato il secondo principio lo farebbe evolvere inesorabilmente in un sistema completamente disordinato massimizzando la sua entropia. Sarebbe un'evoluzione spontanea verso il degrado di tutti i meccanismi vitali organizzati, un'evoluzione verso la morte. Un organismo vivente deve quindi essere necessariamente un sistema aperto, che possa scambiare materia ed energia con l'ambiente. Il sistema da considerare ai fini del secondo principio diventa quindi l'organismo più l'ambiente, che complessivamente aumenterà la sua entropia, mentre l'organismo è un sottosistema che singolarmente può anche diminuire la propria entropia o mantenerla stazionaria a scapito del sistema totale (la diminuzione locale dell'entropia non contraddice il secondo principio). Dunque tutti gli organismi viventi sulla terra utilizzano l'energia (in ultima analisi sempre fornita dal sole, direttamente o indirettamente) non soltanto per reintegrare quello che spendono verso l'esterno ma anche per mantenere basso il proprio valore di entropia e "nutrire" costantemente di ordine, ovvero di "entropia negativa" le proprie strutture vitali. Come diceva Erwin Schroedinger "l'organismo si alimenta di entropia negativa" (neghentropia), o come diceva più poeticamente Ilya Prigogine "siamo isole di ordine in un mare di disordine".
NOTA 1: per mantenere un certo livello di ordine in un sistema serve energia, lo sanno tutti i ragazzi che sono costretti ad ordinare la propria stanza. In effetti quando si vive dentro una casa e al suo interno si svolgono varie attività quotidiane si sta utilizzando energia per eseguire processi che hanno specifici obiettivi ma che hanno sempre come effetto secondario la produzione spontanea di un certo grado di disordine. Se dopo una qualsiasi attività casalinga (come ad esempio cucinare) voglio ripristinare l'ordine precedente devo spendere energia appositamente per questo obiettivo. Il motivo di ciò sta nel fatto che le configurazioni della casa che reputiamo ordinate dal nostro punto di vista sono in numero enormemente inferiore a quelle che invece reputiamo disordinate. Questo fa sì che qualunque attività porti il sistema verso una configurazione di disordine con grande probabilità. E' un fatto puramente statistico.
NOTA 2: dal punto di vista chimico il corpo umano (come quello di qualunque altro essere vivente) è costituito sostanzialmente da acqua e da sostanze come carbonio, azoto, zolfo, calcio, sodio, fosforo e alcuni metalli, tutti presenti in percentuali varie. Praticamente l'equivalente di un bidone di acqua sporca. La differenza con quest'ultima sta proprio nell'alto grado di ordine di tutte queste sostanze organizzate in strutture complesse e processi altrettanto complessi. Questo ordine strutturale viene ricavato dalle informazioni contenute nel codice genetico, risultato di milioni di anni di evoluzione. Di per sé un organismo vivente rappresenta uno stato la cui probabilità di esistenza spontanea è sostanzialmente nulla. E' per questo motivo che si dice che l'evoluzione (responsabile della complessità di questi organismi) può essere definita come il meccanismo che rende possibili configurazioni altamente improbabili.
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