Corso di Economia Urbana
L’energia, gli ecosistemi e l’economia
Venezia 22 Marzo 2004
Francesco Musco, Dipartimento di Pianificazione
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No serious student of environmental
economics can afford to ignore the subject
matter of “ecology”, the widely embracing
science which looks at the
interrelationship between living species
and their habitats. (Pearce, 1978)
Il ruolo dell’energia negli ecosistemi e nei processi
economici (1)
La disponibilità dell’energia chimica che supporta tutte le forme di
organismi viventi e il mantenimento della circolazione materiale
all’interno dell’ecosistema, richiede un continuo flusso di energia
da una fonte esterna. Per quel che riguarda il nostro pianeta
questa fonte essenziale di energia è la radiazione solare.
Come mai gli ecosistemi naturali necessitano di avere un continuo
flusso di energia da una fonte esterna? Una risposta adeguata alla
domanda richiede la ripresa delle leggi che governano le
trasformazioni della materia e dell’energia.
Il ruolo dell’energia negli ecosistemi e nei processi
economici (2)
Come definizioni semplificate possiamo dire che la materia può
essere identificata come qualsiasi cosa che occupa uno spazio e
ha una massa
L’energia può essere vista come un’entità che manca di massa
ma ha in sé la capacità di muovere e/o trasformare un oggetto.
Possiamo anche intenderla come capacità a compiere un lavoro.
Le leggi della termodinamica (1)
La prima legge della termodinamica è anche detta principio della
conservazione della materia e dell’energia. Infatti stabilisce che la
materia e l’energia non possono essere create o distrutte ma solo
trasformate.
Importanti sono le implicazioni ecologiche ed economiche.
Pensiamo ad esempio ai rifiuti: il primo principio della
termodinamica che non possiamo buttare via davvero qualcosa, ma
che tutto finisce da qualche parte.
Il primo principio della termodinamica analiticamente:
dU=dQ-dL
In ogni sistema chiuso, per qualsiasi tipo di trasformazione, il calore
(Q) ed il lavoro (L) concorrono a far variare lo stato del sistema. La
variazione dell’energia interna (U) è pari alla somma algebrica di
calore e lavoro scambiati con l’esterno
Le leggi della termodinamica (2)
La seconda legge della termodinamica si occupa delle
trasformazioni energetiche e della qualità dell’energia (energia utile
ed energia inutile). L’energia può esistere in diverse forme e “stati”.
La legge afferma che ogni volta l’energia in una data forma è
convertita o trasformata da uno stato (o forma) ad un altro, c’è
sempre meno energia utile nel secondo stato di quanta ce ne fosse
nel primo.
Enunciato di Clausius - È impossibile effettuare una
trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore ad un
corpo a temperatura inferiore ad un altro a temperatura superiore.
Enunciato di Kelvin - È impossibile realizzare una trasformazione
ciclica mediante la quale vi sia trasformazione di calore in lavoro
utilizzando una unica sorgente a temperatura uniforme
Le leggi della termodinamica (3)
Esiste anche un terzo enunciato della seconda legge della
termodinamica che introduce una funzione di stato, l’Entropia (S)
ampiamente presente nella teoria Bioeconomica di GeorgescuRoegen: In un sistema isolato l’Entropia non può mai diminuire:
S ≥ 0
Significative conseguenze del secondo principio della Termodinamica
sono:
1. L’energia varia nella sua qualità e nella capacità di compiere
lavoro.
2. In tutte le conversioni di energia in lavoro, ci sarà sempre una
certa perdita nella qualità dell’energia stessa. Così non saremo
mai in grado di realizzare un sistema perfetto di conversione
energetica o il moto perpetuo.
3. Non possiamo mai riciclare l’energia. Questo spiega perché gli
ecosistemi naturali richiedono continuamente energia da una fonte
esterna.
L’entropia
Il secondo principio della Termodinamica nella formulazione di
Clausius del 1850, afferma che in ogni produzione di lavoro mediante
calore, una parte dell’energia impiegata passa da una forma
disponibile ad una indisponibile. L’energia sotto forma di calore
subisce una degradazione la cui misura è chiamata “entropia”.
Analiticamente l’aumento è dato dalla relazione:
dQ
dS 
T
Dobbiamo ricordare che la termodinamica classica si occupa di
sistemi isolati e in condizioni di equilibrio termodinamico. Sommando
gli incrementi “infinitesimali” dati dalla formula sopra è teoricamente
possibile calcolare l’incremento di entropia totale. Anche perché
l’entropia non è misurabile empiricamente.
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L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen
Secondo Georgescu Roegen la legge dell’entropia si applica
direttamente ai processi di produzione che utilizzano energia, ossia al
processo economico ed industriale stesso.
Poiché un pezzo di carbone può essere bruciato una sola volta e per
quanto l’energia prodotta dalla combustione permanga nell’ambiente,
poiché si presenta in una forma “diffusa” e “dispersa”, non può essere
adoperata una seconda volta.
La legge di entropia si presenta nell’opera di Georgescu-Roegen
quale base fisica del valore economico. L’intero processo economico
è sostenuto da fonti energetiche a bassa entropia (carbone, petrolio,
uranio …). Secondo Roegen deriva dall’entropia anche il concetto di
valore d’uso: condizione necessaria ma non sufficiente perché una
cosa sia utile è che possieda bassa entropia (ad esempio i diamanti
hanno un’entropia minore dell’acqua, ma non possiamo certo dire che
siano più utili in assoluto).
L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen (2)
L’applicazione della seconda legge della termodinamica al processo
economico, oltre alle evidenti conseguenze ecologiche (emissioni
inquinanti nell’ambiente ed esaurimento delle risorse)
Altra conseguenza per Roegen è l’orientamento nel tempo del
processo economico, la cosiddetta freccia entropica: in pratica non è
concepibile un ritorno alle condizioni iniziali.
La teoria economica standard ha ignorato le determinanti fisiche
sottostanti al processo economico, sostenendo la visione di un
sistema economico chiuso e circolare.
L’entropia e la teoria di Georgescu - Roegen (3)
Il pensiero di Georgescu-Roegen è stato in parte criticato proprio per
il rapporto con il concetto di Entropia, o meglio per il tipo di sistema
che viene preso in considerazione. La Termodinamica infatti può
essere applicata a sistemi di diversa tipologia:
1. I sistemi termodinamici isolati. Questi non scambiano né
energia, né materia con l’ambiente. In un sistema isolato l’entropia
tende necessariamente verso il massimo. È l’ambito più consueto per
l’applicazione della termodinamica classica.
2. Sistemi termodinamici chiusi. Ad esempio la Terra. In questi
avviene scambio di energia, ma non di materia, con l’ambiente.
Georgescu-Roegen di solito fa riferimento a questi.
3. Sistemi termodinamici aperti. Scambiano sia energia che
materia con l’ambiente circostante. Teoria delle strutture dissipative di
Prigogine.
La critica a Georgescu-Roegen
Recentemente il dibattito promosso da “Ecological Economics” ha
sottolineato che le conclusioni di Georgescu-Roegen siano
perfettamente legittime nell’ambito dei sistemi isolati, ma non siano
sufficienti per spiegare i cambiamenti evolutivi dei sistemi aperti.
Da questo punto di vista il sistema economico e i sistemi biologici
essendo aperti troverebbero riferimento più adatto nella teoria di
Prigogine, secondo cui la variazione di entropia di un sistema aperto
può essere diviso in due parti, lo scambio di entropia con l’ambiente
(e) e la produzione di entropia interna al sistema (i).
dS  dSe  dSi
La critica a Georgescu-Roegen (2)
Per un sistema isolato ovviamente la componente (e) di entropia
estrerna è pari a zero.
In un sistema aperto lo scambio di entropia con l’ambiente esterno
può essere invece positivo o negativo. Il valore della produzione di
entropia interna dS (i), per qualsiasi sistema non in equilibrio
termodinamico, sarà invece > 0. Distinguiamo quindi tre casi:
dS>0 è il caso dei sistemi isolati o dei sistemi aperti per i quali la
produzione di entropia interna è maggiore, in valore assoluto,
dell’entropia negativa fornita dall’ambiente esterno. È questa la
condizione presa in considerazione da Georgescu-Roegen
La critica a Georgescu-Roegen (3)
dS=0 è la situazione in condizioni di stato stazionario in cui il flusso
di entropia prodotta all’interno e quello proveniente dall’ambiente
esterno si compensano.
dS<0 è il caso deii sistemi aperti nei quali l’ambiente esterno
fornisce entropia negativa in modo tale da superare la produzione di
entropia interna al sistema.
Le conseguenze sulla teoria Bioeconomica
Le conclusioni di Georgescu-Rogen (irreversibile degradazione della
materia / energia in particolare connessa all’attività economica) sono
perfettamente legittime solo nell’ambito dei sistemi isolati, ma non lo
sono necessariamente nell’ambito dei sistemi chiusi o dei sistemi
aperti.
Poiché il sistema economico e l’ecosistema sono sistemi non isolati è
necessario verificare - per i sistemi reali - se la quantità di energia
dissipata all’interno del sistema è maggiore o minore di quella
assorbita dall’esterno (dS>0; dS=0; dS<0).
Se si verifica che il sistema assorbe dall’esterno energia sufficiente a
portarlo lontano dall’equilibrio termodinamico, la teoria di Prigogine
(dS<0) risulta più adatta a descrivere queste situazioni.