L'approfondimento tematico
Le grandezze fisiche permettono all’uomo di scambiarsi, in termini quantitativi, le proprie impressioni sui sistemi materiali e i fenomeni che li coinvolgono. Per costruire la fisica è necessario, innanzitutto, definire in “modo operativo” le grandezze fisiche che permettono di definire alcune proprietà associate ai corpi. Le grandezze fisiche sono appunto quegli enti che hanno caratteristiche misurabili, non sono oggetti tangibili ma concetti quantitativi della nostra mente.
Per “definizione operativa” di una grandezza fisica si intende la descrizione sia degli strumenti che della procedure non ambigue con cui essi devono essere utilizzati per giungere alla misura della grandezza, cioè ad associare a una grandezza fisica un numero che si chiama misura della grandezza.
Il “tempo” è una di queste grandezze fisiche; viene chiamata anche “durata” o “intervallo di tempo”. Il tempo è una grandezza fondamentale e dal punto di vista operativo viene definito come la grandezza fisica misurata con un cronometro.
Il “tempo”, nel sistema internazionale (S.I.), ha come l’unità di misura il secondo (s), che è l’intervallo di tempo durante il quale avvengono 9.192.631.770 di oscillazioni in un orologio al cesio. Il problema della misurazione del tempo ha a che vedere con la regola della additività e con i fenomeni periodici che ne caratterizzano il suo stesso concetto. Una parte importante della vita dell’uomo riguarda gli strumenti di misura del tempo: meridiane, orologi ad acqua, clessidre, gnomoni, quadranti solari, astrolabi e orologi a pendolo hanno costituito per secoli una parte rilevante dell’attività scientifica che ha prodotto conoscenza e, in definitiva, progresso.
Essendo una delle grandezze fisiche fondamentali, il tempo assume un ruolo significativo, senza il quale, come abbiamo detto in precedenza, non esisterebbero le grandezze fisiche derivate da esso. Senza il concetto di velocità non sarebbero possibili tutta una serie di fenomeni come il movimento degli elettroni intorno ai loro nuclei o in moto liberi in un metallo (correnti elettriche) che giustificano l’esistenza dei campi elettrici e magnetici.
Senza il tempo non si potrebbero spiegare i fenomeni meccanici, previsti da Galileo e Newton. Infatti, le leggi di Newton permettono di prevedere e spiegare questi fenomeni. Le leggi della cinematica dei moti uniformemente vari sono basate sul tempo (s=v0t+s0±1/2at2, v=v0±at). Uno degli aspetti più interessanti di queste leggi è l’aspetto “predittivo” che permette di prevedere un evento che si svolgerà nel futuro. Se nelle formule precedenti si sostituisse a “t” il suo opposto “-t”, alla previsione del fenomeno nel futuro subentra la postvisione nel passato. Questo aspetto introduce la reversibilità dei fenomeni meccanici. Riprendendo con una videocamera l’urto di due palle da biliardo e facendo vedere il rispettivo filmato prima nel verso in cui effettivamente è avvenuto il fenomeno, poi proiettandolo nel verso opposto, non si saprebbe dire quale sia stata l’evoluzione corretta del fenomeno.
Il fenomeno dell’urto elastico tra due palle da biliardo, in cui si conserva sia l’energia cinetica di movimento sia la quantità di moto totale, è un fenomeno reversibile poiché la q.d.m. tra le biglie è uguale prima e dopo l’urto (la somma vettoriale della quantità di moto delle singole parti che la compongono, prima e dopo l’urto in un sistema isolato, rimane la stessa). Nei fenomeni meccanici l’entropia rimane invariata, cioè costante, ma varia invece nei fenomeni irreversibili che sono quelli tipici della termodinamica.
L’entropia è una grandezza termodinamica scalare, indicata con il simbolo S, e caratterizza la tendenza dei sistemi chiusi e termicamente isolati ad evolvere verso uno stato d’equilibrio termodinamico. Nel caso di un sistema aperto, che scambia calore e materia con l’ambiente circostante, l’entropia può invece diminuire a spese dell’aumento dell’entropia dei corpi con i quali interagisce.
Le trasformazioni irreversibili fanno nascere il parallelismo tra entropia e freccia del tempo, cioè il verso immutabile in cui il tempo scorre. Sulla base del secondo principio della termodinamica, il tempo scorre nel verso cui corrisponde un aumento d’entropia.
Il secondo principio della termodinamica in chiave entropica afferma che un sistema isolato, che è stato perturbato, giunge ad una nuova condizione d’equilibrio, che corrisponde al massimo aumento dell’entropia compatibile con il rispetto del primo principio della termodinamica (il quale afferma che la variazione dell’energia potenziale interna del sistema, è uguale alla quantità totale di calore assorbita dall’esterno meno il lavoro totale compiuto dal sistema (DU=Qtot-Wtot).