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Il mistero della temperatura: cos'è lo zero assoluto? Lo sai?
La temperatura è una grandezza fisica che esprime quantitativamente quanto è caldo o freddo un oggetto. Di solito utilizziamo i termometri per misurare, e la scala del termometro dipende da diversi standard di temperatura. Questi standard contengono vari punti di riferimento e materiali per la misurazione del calore. Le scale di temperatura più comunemente utilizzate sono Celsius (°C), Fahrenheit (°F) e Kelvin (K). Tra queste, la Kelvin è utilizzata principalmente nella ricerca scientifica ed è considerata una delle sette unità di misura di base del Sistema Internazionale di Unità. Lo zero assoluto su questa scala, zero Kelvin o -273,15 °C, è il punto più basso sulla scala di temperatura termodinamica. Sperimentalmente, sebbene lo zero assoluto non possa essere effettivamente raggiunto, possiamo comunque avvicinarci molto ad esso.
Allo zero assoluto non c'è più energia termica macroscopica nella materia, ma esiste ancora l'energia del punto zero della meccanica quantistica.
L'importanza della temperatura
La temperatura ha un'ampia gamma di effetti, che coinvolgono le proprietà fisiche della materia, come il cambiamento di fase (solido, liquido, gas o plasma), la densità, la solubilità, la conduttività, ecc. Inoltre, la temperatura influenza direttamente la velocità e l'entità delle reazioni chimiche e ha un profondo effetto persino sul comportamento di tutti gli organismi viventi. Ad esempio, la velocità del suono in un gas è proporzionale alla radice quadrata della temperatura assoluta.
Evoluzione delle scale di temperatura
Una scala di temperatura richiede la definizione di due valori: il punto zero scelto e l'entità dell'incremento di temperatura. La scala Celsius (°C) è la scala di misurazione della temperatura più utilizzata al mondo, con il suo punto zero determinato dai punti di congelamento e di ebollizione dell'acqua; mentre la scala Fahrenheit è ampiamente utilizzata negli Stati Uniti, con un punto di congelamento di 32 ° F e un punto di ebollizione di 212 °F. Il punto zero della scala Kelvin è lo zero assoluto.
Definizione di zero assoluto
Lo zero assoluto è un concetto chiave della fisica: indica lo stato della materia in cui l'energia termica viene completamente eliminata. In questo stato, le particelle di materia cesseranno il loro moto macroscopico e, secondo la terza legge della termodinamica, l'energia termodinamica netta è zero. L'uomo non può raffreddare gli oggetti a questa temperatura e può solo esplorarne i confini il più possibile.
Da un punto di vista sperimentale, lo zero assoluto può essere solo avvicinato ma non raggiunto. La temperatura sperimentale più bassa fino ad oggi è di 38 pK.
Standard di temperatura assoluta e relativa
Tra gli standard di temperatura, la scala Kelvin è considerata una scala assoluta perché non si basa su alcuna sostanza o strumento specifico per la misurazione del calore. Dal 2019 la definizione di Kelvin si basa su fenomeni microscopici ed è correlata alla costante di Boltzmann, che consente misurazioni più precise della temperatura.
Relazione tra meccanica statistica e termodinamica
L'attuale scala Kelvin non è più definita chiaramente come standard di riferimento, ma si basa sulla determinazione esatta della costante di Boltzmann. Storicamente, la definizione di Kelvin si basava sulle proprietà termodinamiche della macchina di Carnot, anziché su una descrizione microscopica del moto. Ciò ci consente di creare uno standard più universale per descrivere la temperatura.
Metodi di misurazione classici e moderni
Storicamente la temperatura è stata misurata utilizzando standard empirici come il punto triplo dell'acqua (definito come 273,16 K), ma si è fatto sempre più affidamento sulla statistica e sulla comprensione delle dinamiche microscopiche. Ciò dimostra che la temperatura non è solo una misurazione macroscopica, ma anche il risultato del comportamento microscopico e quantistico.
Sviluppo futuro
Con ulteriori ricerche sulla termodinamica e sulla fisica statistica, gli scienziati potrebbero arrivare a misurazioni più precise. Ad esempio, l'utilizzo del volume molare di un gas o dello spettro della radiazione del corpo nero per misurare la temperatura rappresenta una promettente direzione di ricerca futura.
Grazie alla nostra comprensione del comportamento quantistico, in futuro potremmo riuscire ad avere una comprensione più approfondita e una misurazione più accurata dello zero assoluto.
Mentre esploriamo questi affascinanti fenomeni scientifici, non possiamo fare a meno di chiederci: ci sono leggi naturali e misteri dell'universo nascosti in questo limite di temperatura irraggiungibile che non abbiamo ancora compreso?
