I PRINCIPI DI CONSERVAZIONE - termodinamica

I PRINCIPI DI CONSERVAZIONE

I Principi di conservazione sono leggi della fisica le quali affermano che, nel corso di determinate trasformazioni, alcune delle grandezze che caratterizzano un sistema fisico rimangono invariate. I principi di conservazione ebbero sempre un ruolo estremamente importante nella ricerca scientifica, basti pensare che moltissime scoperte furono suggerite dall'osservazione di un'apparente violazione di uno di essi.

Nel XVIII secolo il chimico francese Antoine Lavoisier scoprì che in una reazione chimica la massa complessiva degli elementi che partecipano alla trasformazione rimane costante. Questa osservazione, che esprime il principio di conservazione della massa, viene oggi enunciata nella seguente forma generale: la quantità di materia totale di un sistema chiuso rimane costante.

All'inizio del XIX secolo si comprese che esistono diverse forme di energia, ad esempio l'energia cinetica, potenziale, termica, ciascuna delle quali può essere trasformata in un'altra forma. Questa intuizione condusse gli scienziati tedeschi Hermann von Helmholtz e Julius Robert von Mayer e il fisico britannico James Prescott Joule a formulare il principio di conservazione dell'energia che nella sua forma più generale afferma che la somma dell'energia cinetica, dell'energia potenziale e dell'energia termica di un sistema isolato è costante. Il primo principio della termodinamica, secondo cui la quantità di calore assorbita (o ceduta) da un sistema termodinamico è uguale al lavoro che esso compie sull'esterno (o compiuto su di esso dall'esterno), è uno dei possibili enunciati di questa importante legge.

Il principi di conservazione dell'energia, della quantità di moto e del momento angolare permettono di determinare l'evoluzione di qualsiasi sistema fisico che rispetti le leggi della meccanica classica. Nell'ambito dell'elettricità, invece, è valido il principio di conservazione della carica elettrica.

Nel 1905, con la teoria della relatività speciale, Albert Einstein dimostrò l'equivalenza della massa e dell'energia; ciò, naturalmente rese necessaria una modifica dei due principi di conservazione, della massa e dell'energia, e la formulazione di un'unica legge di validità generale, comprensiva di entrambi. Esistono comunque alcuni campi d'interesse in cui possono essere considerati validi l'uno o l'altro dei due principi della fisica classica; la sola legge di conservazione della massa, ad esempio, viene rispettata nelle reazioni chimiche, dove non sono misurabili le variazioni di massa equivalenti all'energia prodotta o assorbita, ma non è valida per le reazioni nucleari, nelle quali l'energia può essere convertita in massa.

L'esistenza delle leggi di conservazione può essere ricondotta alla presenza in natura di fondamentali simmetrie. Ciò vale anche a livello delle particelle elementari: ad esempio, la conservazione del numero barionico nelle interazioni tra particelle è la manifestazione evidente di una simmetria di Gauge, esattamente come la conservazione della carica elettrica.