Entropia ed estropia nell'universo
di Giuseppe Vatinno

La seconda legge della termodinamica è -per certi versi- una sorta di verdetto di condanna a morte per il nostro universo. Infatti, essa sancisce che nei processi energetici dell'universo si osserva un'inevitabile degradazione in calore. In pratica si può dire che per le trasformazioni energetiche di un sistema chiuso l'entropia può solo aumentare. Un sistema termodinamico tenderà allo stato di equilibrio, cioè quello di massima entropia.

In formule:

(1)    DS>0

Ove l'entropia S è definita come:

(2)    dS = dQ/dT

Ove dQ è  la variazione del calore in gioco e dT la variazione della temperatura.

L'entropia ha anche un'altra definizione, statistica:

(3)    bis S = K log W

ove K è la costante di Boltzmann e W il numero di microstati che corrispondono ad un solo macrostato.

Parimenti possiamo definire l'estropia come l'entropia cambiata algebricamente di segno e cioè:

(4) Estr. = - Entropia = -S

Dunque, la legge dell'aumento dell'entropia ci dice che il "disordine" dell'universo può -nel suo insieme- solo aumentare.

A questo punto salta però subito agli occhi che -almeno nel caso della vita biologica- la seconda legge parrebbe non rispettata: infatti le strutture biologiche appaiono strutture estremamente ordinate. Come si spiega tutto ciò?

In realtà, se osserviamo con attenzione, la formula (1) non è violata, infatti la (1) si può scrivere anche come

(1)    bis  DS = DS(ext) +DS(int)>0

In questo modo è vero che la variazione di entropia interna diminuisce nella creazione di strutture biologiche ma tale variazione è ampiamente compensata da un aumento dell'entropia esterna alla struttura biologica.

Cosicché -nel suo complesso- l'entropia totale (esterna + interna) aumenta anche nel caso della formazione di strutture biologiche.

Si noti che -in realtà- fenomeni di autorganizzazione di strutture molecolari ed atomiche sono ben noti in fisica e in chimica-fisica. Ad esempio, scaldando un liquido oltre una certa temperatura critica, il cui strato non è molto spesso si creano le cosiddette "celle di Bénard" che sono delle colonne ordinate di bolle di liquido che salgono e scendono.

Un altro noto fenomeno di autorganizzazione si ha con la reazione di Belonsov - Zhabotinski. Vi sono due sostanze chimiche di colore diverso (ad esempio rosso e blu): superata anche qui una certa temperatura critica assistiamo ad un'alternanza periodica di molecole rosse e blu.

Tutti questi fenomeni si manifestano in sistemi termodinamici lontani dall'equilibrio.

Ilya Prigogine è stato lo scienziato che più ha studiato, presso la libera Università di Bruxelles, i fenomeni dell'autorganizzazione

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Bibliografia

Prigogine I. Il futuro è già determinato?, Di Renzo Editore, Roma (2003)
Prigogine I., George C., The second law as a selection principle: The microscopic theory of dissipative processes in quantum systems, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 80 4590-4594 (1983)
Prigogine I. - Stengers I. La nuova alleanza. Metamorfosi della scienza, Einaudi, Torino, (1981)



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