Il moto perpetuo - Definizione generale, La termodinamica e il moto perpetuo

Definizione generale:

Per quanto riguarda la sua definizione il nome aiuta molto. Trattasi infatti di "moto perpetuo" ogni forma di moto che resti costante nel tempo, senza subire variazione alcuna. Esempio classico è il movimento infinito di un oggetto nel piano, il quale appunto, dopo essere stato fornito di una certa quantità di energia, continui a muoversi senza fermarsi mai. Limpido è il fatto che tale esempio è naturalmente ideale, astratto sulla terra in quanto esiste un fattore determinante che contribuisce alla dissipazione di quell'energia che permette all'oggetto di spostarsi: l'attrito.

Per anni studiosi su studiosi hanno lavorato per trovare una soluzione, ma giungendo sempre e comunque a risultati impraticabili come vedremo in seguito.

In generale il moto perpetuo può essere definito come un concetto ideale che corrisponde al moto di un sistema capace di fornire indefinitamente lavoro utile, sia che si tratti di energia utile per macchine, sia, per quanto riguarda sopra, del moto infinito di un oggetto.

La termodinamica e il moto perpetuo:

Per quanto riguarda la termodinamica, il concetto di moto perpetuo è strettamente legato a quello delle macchine termiche, ossia a strutture capaci di ricavare lavoro continuativo a spese dell'energia interna ricevuta tramite scambi di calore. In tale campo il moto perpetuo viene suddiviso in due tipologie, di prima specie e di seconda specie, legate indissolubilmente ai due principi della termodinamica che negano ogni possibilità di una loro esecuzione.

Il primo principio e il moto perpetuo di prima specie:

Il primo principio della termodinamica, considerato anche come una particolare formulazione della legge di conservazione dell'energia, afferma in pratica che, poiché l'energia non può essere né creata né distrutta, la somma della quantità di calore ceduta a un sistema e del lavoro eseguito su di esso deve corrispondere a un aumento dell'energia interna del sistema stesso.

Nella formulazione in cui il lavoro viene espresso come compiuto dal sistema, esso viene descritto dalla formula DU = Q - W

Ed è proprio tale formula a negare la possibilità di realizzazione di un moto perpetuo di prima specie, ossia una macchina capace di creare lavoro senza consumare energia. Se infatti si fa compiere ad una macchina una trasformazione ciclica, nella quale, come da definizione, l'energia interna rimane invariata si avrà che     Q = W

Numerosi sono stati i tentativi nei secoli di creare macchine capaci di moto perpetuo, che andassero contro il primo principio. La storia (documentata) di tali macchine inizia almeno nel XIII secolo, con Villard de Honnecort che nel 1245 descrisse una ruota sbilanciata in grado di ruotare in perpetuo.

Ma la prima macchina del moto perpetuo di cui sia abbiano notizie precise è dovuta ad un italiano, Marco Antonio Zimara (1460 - 1523) che dichiarò di aver inventato un mulino in grado di funzionare senza alcuna fonte di energia esterna. Nel 1618 Robert Fludd creò (costruí ?) un mulino a ruota, posto in rotazione dall'acqua che una vite di Archimede provvedeva a riportare in cima.

Anche famosi e seri scienziati credettero nelle macchine del moto perpetuo. Per esempio, Boyle tentò di costruire una macchina del moto perpetuo in cui la capillarità avrebbe dovuto permettere di ottenere una specie di fontana perpetua, con l'acqua capace di salire lungo un tubo per adesione capillare e poi di ricadere per gravità.

Nell'Ottocento, le macchine del moto perpetuo si moltiplicarono a dismisura: allora come oggi, la necessità di dispositivi in grado di produrre lavoro a costi molti bassi era un incentivo molto importante, ma in tutti i casi le 'macchine' erano effettivamente dispositivi fasulli con meccanismi ad orologia o a vapore nascosti.

Il secondo principio e il moto perpetuo di seconda specie:

Esistono diversi enunciati, tutti equivalenti, del secondo principio della termodinamica, e ciascuno ne mette in risalto un particolare aspetto:

Ø  è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di assorbire una determinata quantità di calore da un'unica sorgente di calore e di trasformarla integralmente in lavoro (Lord Kelvin);

Ø  è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di far passare calore da un corpo più freddo a uno più caldo (R. Clausius);

Entrambi gli enunciati negano la possibilità di realizzazione del moto perpetuo di seconda specie, cioè quello di una macchina termica che, pur funzionando senza contraddire il primo principio della termodinamica, durante ogni ciclo prende calore da un'unica sorgente a temperatura costante.

Tale macchina è subito contraddetta dalla prima formulazione, ma in qualunque caso, la seconda la nega pure, in quanto è noto che secondo la fisica i due corpi tenderanno a scambiarsi calore fino al raggiungimento di una temperatura uguale nei due corpi detta di equilibrio. A questo punto la macchina non potrà più trarre calore dallo stesso corpo, senza andare contro la seconda formulazione descritta, a meno che non intervenga una terza fonte più fredda della macchina.

In particolare poi il secondo principio indica che nella realizzazione di una macchina che compia lavoro ciclicamente, non tutta la differenza fra calore sottratto e calore ceduto si trasforma in lavoro, ma solo una parte di essa. Una macchina di questo tipo, dunque, ha sempre efficienza minore di 1: questa formulazione del secondo principio, che è in effetti fu la prima espressione del principio, va sotto il nome di teorema di Carnot.

Anche per quanto riguarda le macchine di secondo tipo, vi fu un fervore di invenzioni e sperimentazioni, ma tutte fallimentari.