Zero assoluto (fisica)
Che cos'è in fisica lo zero assoluto?
Lo zero assoluto è la temperatura minima possibile che qualsiasi sistema termodinamico può teoricamente raggiungere; il suo valore, che corrisponde a 0 K ovvero a -273,15 °C, è estrapolato dalla equazione di stato dei gas perfetti e più in particolare dalla legge di Charles (nota anche come prima legge di Gay-Lussac o legge dell'isobara) e dalla legge di Gay-Lussac.
Zero assoluto e legge di Charles
Agli inizi del XIX secolo Gay-Lussac, riprendendo la legge di Charles, riuscì a dimostrare sperimentalmente che esiste una relazione matematica tra il volume di un gas e la sua temperatura in gradi Celsius:
Vt = V0 · (1 + α · t)
in cui:
- α = coefficiente di espansione; è una costante che vale 1/273
- V0 = volume del gas alla temperatura di 0°C
- Vt = volume del gas ad una certa temperatura t in °C
L'equazione riarrangiata nel seguente modo:
Vt = V0 + V0 ·α· t
ricorda l'equazione di una retta:
y = y0 + a ·x
infatti il prodotto tra V0 e α è un valore costante poiché entrambi i termini sono costanti. In essa:
- y = Vt
- y0 = V0
- a = V0 ·α
- x = t
Riportando su un sistema di assi cartesiani i valori del volume Vt in funzione della temperatura t si ottiene pertanto una retta che incontra l'asse delle ordinate in V0 e l'asse delle ascisse a -273,15°C.
Rappresentazione grafica della legge di Charles: in ascissa è riportata la temperatura in °C ed in ordinata il volume in mL del gas.
Analizzando i dati del grafico precedente si potrebbe pensare che alla temperatura di -273,15°C il volume del gas si annulla (V = 0; in realtà questo non è possibile perché abbassando la temperatura il gas dapprima diventa liquido e poi solidifica); a tale temperatura limite è stato dato il nome di zero assoluto e costituisce lo zero della scala Kelvin.
A sinistra la scala Kelvin e a destra la scala Celsius: lo zero della scala Kelvin corrisponde a -273,15°C.
Cosa succede allo zero assoluto?
Allo zero assoluto tutte le particelle (molecole o atomi) di un sistema termodinamico sono allo stato fondamentale (ovvero il più basso livello di energia possibile) e il sistema ha il minor contenuto possibile di energia cinetica permesso dalle leggi della fisica.
Un punto di vista erroneo molto diffuso è quello, derivato dalla teoria cinetica classica della materia, che riguarda la temperatura dello zero assoluto come quella caratterizzata dall'assenza di ogni movimento o energia nel sistema in esame.
In realtà non è affatto così: ad esempio gli atomi in un solido posseggono una considerevole quantità di energia, associata al più basso stato vibrazionale possibile, anche allo zero assoluto.
A temperature prossime allo zero assoluto, la materia manifesta proprietà inusuali, quali ad esempio la superconduttività, la superfluidità e la condensazione di Bose-Einstein.
Zero assoluto e terzo principio della termodinamica
Le proprietà della materia allo zero assoluto di temperatura si ottengono sempre per estrapolazione da misure fisiche compiute su di essa alle più basse temperature raggiungibili.
Questo genere di ricerche ha condotto all'enunciazione del terzo principio della termodinamica: l'entropia di qualsiasi sistema tende a un valore costante, S0, quando la sua temperatura venga ridotta tendendo a O K; il valore S0 si può poi porre uguale a zero per la maggior parte dei sistemi.
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