Zero assoluto
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Lo zero assoluto è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico, e corrisponde a 0 K (−273,15 °C; −459,67 °F). Si può mostrare con le leggi della termodinamica che la temperatura non può mai essere esattamente pari allo zero assoluto, anche se è possibile raggiungere temperature arbitrariamente vicine ad esso. Allo zero assoluto le molecole e gli atomi di un sistema sono tutte allo stato fondamentale (ovvero il più basso livello di energia possibile) e il sistema ha il minor quantitativo possibile di energia cinetica permesso dalle leggi della fisica. Questa energia minima corrisponde all'energia di punto zero, prevista dalla meccanica quantistica per tutti i sistemi che abbiano un potenziale confinante.
Nel caso di atomi liberi a temperature prossime allo zero assoluto, la maggior parte dell'energia è in forma di movimento traslazionale e la temperatura può essere misurata in termini di velocità di tale movimento, con velocità inferiori corrispondenti a temperature inferiori. A causa degli effetti della meccanica quantistica la velocità allo zero assoluto non è esattamente zero, ma dipende, così come l'energia, dalle dimensioni dello spazio nel quale l'atomo è confinato.
Per alcuni sistemi speciali e definizioni specifiche di temperatura, è possibile ottenere una temperatura negativa. Un sistema con temperatura negativa non è più freddo dello zero assoluto, ma è - in un certo senso - più caldo della temperatura infinita.
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Per approfondire, vedi la voce temperatura. |
Questo tipo di fenomeno è associato, in particolare, all'inversione di popolazione che si ottiene nelle cavità risonanti dei laser convenzionali.
A temperature molto basse, prossime allo zero assoluto, la materia esibisce molte proprietà inusuali, quali la superconduttività , la superfluidità e la condensazione di Bose-Einstein. Per poter studiare tali fenomeni, gli scienziati hanno elaborato metodi per ottenere temperature sempre più basse. Al 2005, la temperatura più bassa mai ottenuta è stata di 450 pK, o 4,5×10−10 K, conseguita da Wolfgang Ketterle e colleghi al Massachusetts Institute of Technology.
La nebulosa boomerang è stata recentemente scoperta come il posto più freddo conosciuto, al di fuori dei laboratori, con una temperatura di soli −272 °C (1 K). La nebulosa è a 5.000 anni luce dalla Terra (nella costellazione del Centauro).
L'impossibilità di raggiungere lo zero assoluto è una conseguenza del secondo principio della termodinamica, che normalmente è espresso come la proprietà dell'entropia di un sistema chiuso di non poter mai diminuire. Allo zero assoluto lo stato di disordine molecolare (misurato dall'entropia del sistema) raggiunge il suo valore minimo.
L'esistenza di un limite inferiore della temperatura, invalicabile e irraggiungibile, pone la domanda dell'esistenza di una temperatura massima raggiungibile e di un limite superiore all'entropia, dato che è funzione continua della temperatura (teorema di Weierstrass). La risposta tuttavia è negativa in quanto la temperatura è sempre una misura dell'energia cinetica media degli atomi di un sistema. Non essendoci limite superiore all'energia cinetica media non c'è limite superiore alla temperatura.
Per capire cosa sia lo zero assoluto bisogna tener presente un principio elementare della fisica: il calore è movimento. Qualsiasi corpo presente nell'universo in tutti i tre stati(solido, liquido, gassoso) è dotato di calore. Il calore mette in movimento le molecole che compongono il corpo facendogli sviluppare una determinata temperatura. Piu è grande la quantita di calore presente in un corpo, più le molecole si muovono velocemente e più la temperatura è alta. Al contrario diminuendo la quantita di calore diminuisce la velocità di movimento delle molecole e quindi anche la temperatura del corpo. La quantità di calore però non può diminuire all'infinito. Ad un certo punto essa sarà pari a zero, cioè il corpo sarà totalmente privo di calore, le molecole che lo compongono si fermeranno completamente e la temperatura sarà la più bassa possibile: questa temperatura si chiama zero assoluto. Lo zero assoluto esiste solo in teoria in quanto tale temperatura non è mai stata effettivamente raggiunta. Gli scienziati mediante l'uso di speciali macchine sono riusciti solo a sfiorarla portando un corpo ad un milionesimo di °C dallo zero assoluto. Ma perchè per gli scienziati è importante lo zero assoluto? Innanzitutto perchè sarebbe comunque un traguardo scientifico ma anche per ragioni tecnologiche. Consideriamo i conduttori di energia elettrica per mezzo dei quali le centrali elettriche distribuiscono l'energia elettrica nelle case, negli uffici ecc. Come sappiamo non tutta l'energia elettrica che parte dalla centrale elettrica ed attraversa questi conduttori arriva a destinazione: una grandissima parte si perde per strada con enormi sprechi anche di denaro. Ebbene grazie allo zero assoluto sarebbe possibile costruire conduttori "a perdita zero", in questo modo tutta l'energia che parte dalla centrale arriverebbe a destinazione e quindi non ci sarebbero più questi inutili sprechi. Purtroppo però sarà sempre impossibile raggiungere tale temperatura perchè un corpo non potrà mai perdere tutto il calore che possiede e di conseguenza le molecole che lo compongono non potranno mai raggiungere lo stato di fermo totale.
