Zero assoluto: definizione e terzo principio termodinamico
Zero assoluto, un’espressione che in fisica e in chimica ci è capitato di sentire spesso. Si, forse anche alla radio dato il gruppo omonimo. Siamo abituati ad associarlo ad un valore della temperatura indicato sia sulla scala Celsius (C) che Kelvin (K). In termodinamica il suo significato però assume un carattere più ampio in quanto legato alla dinamica di reazione.
Approfondiamo quale sia la definizione e l’applicazione di questo valore “congelato” (letteralmente). Toccheremo termodinamica, meccanica quantistica e non solo.
Zero assoluto, definizione e valore
Lo zero assoluto è la temperatura minore che un sistema termodinamico sia in grado di raggiungere a livello teorico. Per sistema termodinamico si intende una porzione definita di materia, che può avere un’estensione variabile. Una mole, un ecosistema, un pianeta…si definisce anche come un insieme macroscopico di corpi, omogeneo o eterogeneo. O ancora una parte di Universo eletta ad oggetto di studio.
Il suo valore di temperatura corrisponde allo zero della scala Kelvin (K), una delle unità di misura del Sistema Internazionale. Nella nota scala Celsius che usiamo in Italia invece corrisponde a -273,15°C. In entrambe le scale di riferimento questa corrisponde alla temperatura a cui l’agitazione termica dei corpi è la più bassa possibile a livello di molecole e atomi.
Agitazione termica è sinonimo di energia cinetica. Lo zero assoluto è la soglia a cui questa energia è la più bassa permessa a livello di leggi fisiche. In altri termini possiamo parlare di questo valore come quello a cui si ha il minimo di entropia che può possedere un sistema. L’entropia è il grado di disordine ed è legato all’energia del sistema.
La legge di Charles
Nella rappresentazione grafica della legge di Charles il punto di incontro fra la relazione della legge e l’asse delle ascisse è lo zero assoluto. L’ordinata rappresenta il volume del gas e l’ascissa la temperatura a cui esso si trova. Secondo questa relazione a -273,15°C il volume del gas dovrebbe risultare nullo (teoricamente). In realtà però indica che la sostanza non è più nello stato gassoso ma liquido o solido.
Le legge di Charles ha il seguente enunciato. In condizione di pressione costante, il rapporto tra il volume e la temperatura assoluta di un gas è costante. Per costante si intende una relazione lineare e direttamente proporzionale. In formula Vt=V0 ⋅(1+α ⋅t). Come si vede sostituendo alla V di volume la y delle funzioni matematiche si ottiene l’equazione di una retta, cioò yt =y0 + ax
- Vt rappresenta il volume del gas ad una data temperatura.
- V0 è il volume del gas a 0°C.
- α rappresenta il coefficiente di espansione del gas e il suo valore corrisponde a 1/273.
- t infine è la temperatura.
Terzo principio della termodinamica
In chimica-fisica il terzo principio a volte viene definito in altro modo. Ossia che allo zero assoluto l’entropia di un cristallo puro (sostanza pura cristallina) è pari a zero. A una temperatura così bassa con agitazione termica quasi inesistente l’unico stato possibile della materia potrebbe essere infatti quello cristallino. I solidi cristallini hanno valori molto bassi di entropia per definizione.
Il terzo principio della termodinamica implica però l’impossibilità di raggiungere lo zero Kelvin. Più ci si avvicina a questo valore più difficile diventa sottrarre energia al sistema termodinamico interessato. Se l’entropia S tende a zero anche il calore scambiato seguirà lo steso destino.
Raggiungere di fatto -273,15°C diventa dunque impossibile. Da qui la formulazione equivalente del terzo principio della termodinamica. Essa sancisce che non è possibile raggiungere lo zero assoluto attraverso un numero finito di processi. Ci si può solo avvicinare a questa misura che permane quindi una convenzione a livello teorico.
Il limite invalicabile e irraggiungibile
Osservando lo studio delle orbite degli elettroni, Heisenberg dimostrò che non è possibile conoscere con precisione due variabili coniugate allo stesso istante nel tempo. Nel suo caso le due variabili erano velocità dell’elettrone (quantità di moto) e la sua posizione nell’orbita descritta. Aumentando la precisione di una misura l’altra ne risentirà inevitabilmente.
Come mai c’entra con lo zero assoluto? La ragione è intuibile. Dato che allo zero assoluto l’agitazione termica delle particelle è infinitesima, dovremmo poterne determinare la posizione. E contemporaneamente l’energia che possiede, ossia nulla. Come appena riportato questo non è realizzabile.
Non si avrà mai quindi la certezza di avere raggiunto lo zero Kelvin, perché stabilendo l’energia pari a zero non sarà più accurata l’altra misurazione. Legato al principio di Heisenberg c’è la convenzione relativa all’Energia di punto zero, espressa con l’acronimo ZPE (Zero-point energy).
La ZPE è l’energia minima possibile in un sistema quantistico e non è mai nulla. Questo ribadisce quanto già sostenuto e lo sostiene.
Ci si può avvicinare?
A dispetto delle leggi termodinamiche e quantistiche elencate, gli scienziati non si sono arresi. Ma come il paradosso di Zenone noto come Achille e la tartaruga hanno potuto solo avvicinarsi al traguardo. Per la precisione sono arrivati a toccare un decimo di miliardesimo di Kelvin.
