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Il miracolo di Kilvin: perché questa unità è così importante per la scienza?
La temperatura è una grandezza fisica che quantifica il caldo e il freddo e viene utilizzata per descrivere l'energia del moto termico della materia. La temperatura solitamente si misura con un termometro. Questa unità di misura riflette in realtà l'energia cinetica media generata dalla vibrazione e dalla collisione degli atomi che compongono una sostanza. La temperatura viene espressa in tre scale principali nelle diverse applicazioni e nei diversi campi scientifici: Celsius (°C), Fahrenheit (°F) e Kilvin (K). Tra queste, la kielvin è l'unità di misura più comunemente utilizzata in ambito scientifico.
Il kielvin è definito come una delle sette unità di misura di base del Sistema Internazionale di Unità di Misura (SI) e il suo ingegnoso design lo rende indispensabile nella ricerca scientifica.
Lo zero di Kilvin, o zero assoluto, segna il punto più basso nel termometro termodinamico, che è pari a circa -273,15 °C. A questa temperatura estrema, l'energia termica macroscopica della materia non esiste più, ma secondo la meccanica quantistica, la materia possiede ancora energia di punto zero. Ciò si riflette nella terza legge della termodinamica, che ci dice che anche se ci avviciniamo allo zero assoluto, non potremo mai raggiungerlo del tutto. Immaginate che se un oggetto raggiungesse questa temperatura, sarebbe del tutto impossibile estrarne energia termica.
L'influenza della temperatura
Le variazioni di temperatura hanno un impatto su una varietà di processi fisici, tra cui:
- Proprietà fisiche della materia: come fase, densità, solubilità, pressione di vapore e conduttività termica.
- La velocità e l'entità di una reazione chimica.
- Quantità e proprietà della radiazione termica emessa dalla superficie di un oggetto.
- Gli effetti della temperatura dell'aria su tutti gli organismi viventi.
- La velocità del suono in un gas è proporzionale alla radice quadrata della temperatura assoluta.
Classificazione delle scale di temperatura
Per definire una scala di temperatura sono necessari due parametri: il punto zero scelto e l'entità dell'incremento di temperatura. La scala Celsius più comune definisce il punto di congelamento dell'acqua a 0 °C e il punto di ebollizione a 100 °C. Negli Stati Uniti è comunemente utilizzata la scala Fahrenheit, in cui l'acqua congela a 32 °F e bolle a 212 °F. Nel frattempo, la scala Kilvin è diventata una scala sempre più importante nella comunità scientifica.
La scala Kilvin è una scala assoluta con il suo punto zero allo zero assoluto. Pertanto, indipendentemente dal tipo di sostanza, la sua energia termica è un valore positivo rispetto allo zero assoluto.
Zero assoluto e scala assoluta
L'importanza dello zero assoluto è che segna la cessazione completa del moto termico nella materia. Ciò non significa però che non ci sia energia nella materia, poiché gli effetti quantistici esistono ancora. La scala Kilvin è quindi detta scala assoluta, la cui definizione non dipende da una specifica sostanza o dispositivo di misurazione. Kilvin lo ridefinì ulteriormente attraverso la costante di Boltzmann, che consentì di rifletterlo bene nella termodinamica macroscopica.
Riscrivere la scala Kilvin
Con il progresso della scienza e della tecnologia, da maggio 2019 la definizione di Kirvin non si basa più sulla termodinamica tradizionale, ma si è rivolta alla meccanica statistica. Su questa base, il metodo di misurazione di Kirvin diventa più preciso e può spiegare meglio le proprietà di trasporto delle particelle microscopiche. Questo cambiamento non ha solo migliorato l'accuratezza della scienza di base, ma ha anche svolto un ruolo fondamentale nelle tecnologie moderne, come l'informatica quantistica e la nanotecnologia.
Esplora l'applicazione di Kielvin nella scienza
L'applicazione di Kilvin in diversi campi scientifici è vasta e di vasta portata. Dallo studio della termodinamica e della dinamica dei gas in fisica alla misurazione delle velocità di reazione nelle reazioni chimiche, il kielvin è un'unità essenziale per ottenere dati scientifici accurati. Inoltre, il Kielvin è un criterio importante per valutare le prestazioni nei test sulla scienza dei materiali e nelle applicazioni ingegneristiche.
La riscrittura di Kilvin ha reso fattibili molti esperimenti e misurazioni in precedenza difficili, realizzandone il potenziale sia nella scienza di base che in quella applicata.
Con lo sviluppo della tecnologia, in che modo Kirwin continuerà a svolgere un ruolo nelle tecnologie emergenti?
