Zero Assoluto

Come mai lo Zero Assoluto, pari a T= -273.15 °C, è un limite che non possiamo raggiungere?

Era nel secolo XVIII (13°) quando uno scienziato scoprì che prendendo un gas a pressione P=cost e abbassando la sua temperatura di un grado celsius, da 0° a -1°, il suo volume diminuiva di un fattore 1/273 rispetto al totale iniziale.

Abbassando la temperatura di un ulteriore grado il volume diminuiva nuovamente di un fattore 1/273 del suo volume e così via. Sempre in quel secolo lontano, pensando che il gas non cambiasse stato, si ipotizzò che scendendo sempre di più con la temperatura il gas sarebbe scomparso a un certo punto, quindi che vi fosse un limite, una Temperatura Limite.

Ovviamente oggi sappiamo che il gas non scompare, cambia stato e che esiste comunque una temparatura limite oltre alla quale non si può andare... che guarda il caso coinvolge il numero 273! La temperatura T= -273,15 °C

Fu nell'800 che Lord Kelvin introdusse la scala che porta il suo nome, prendendo come punto iniziale T= 0 K (Kelvin) = -273,16 °C che chiamò Zero Assoluto.

Lo Zero Assoluto è il valore limite al quale non possiamo sperare di raggiungere, al massimo avvicinarci.

Come mai? Perché non è raggiungibile?

Un po' di nozioni utili come requisiti per capire come mai non si può raggiungere lo Zero Assoluto.

1. Temperatura&Energia: queste due grandezze sono strettamente legate.
   Quando andiamo a misurare la temperatura di un corpo, in realtà indirettamente stiamo andando a misurare l'agitazione delle molecole che lo compongono, cioè la loro energia. L'agitazione delle molecole, che può essere considerata energia di sistema (energia cinetica con cui si muovono, l'energia potenziale che le tiene legate, ...) scambia quindi energia con l'esterno tramite il Calore (che è un'energia!!!).
   Tale agitazione molecolare a livello macroscopico viene indicato dalla Temperatura (Considero la nozione di Temperatura nota al lettore).

2. Entropia: la Funzione di Stato, una grandezza usata in termodinamica, che tiene conto dell'agitazione molecolare (o meglio della caoticità) è l'Entropia. Tale grandezza lega calore e temperatura: Entropia = Calore/Temperatura e si misura in Joule/Kelvin.
   Per saperne di più basta qualunque libro di termodinamica.
3. Secondo Principio riformulato in base all'introduzione all'Entropia: <<L'entropia di un sistema isolato (ad esempio l'universo) non può diminuire>> cioè o aumenta o resta costante, quindi non può essere nulla.
   Conseguenza: Terzo Principio della Termodinamica: <<L'entropia di un qualunque sistema termodinamico alla temperatura dello Zero Assoluto è nulla>>.
   L'Entropia per misurare l'agitazione delle molecole, in Meccanica Quantistica, deve tenere conto degli stati possibili (e quindi delle energie possibili) basandosi sulla probabilità P degli stati assunti. In base alla probabilità degli stati e delle relative energie, si può pervenire alla misua dell'agitazione molecolare.
   Essendo l'Entropia S=klogP (con k cost di Boltzmann),

Se mai si potesse raggiungere lo Zero Assoluto le particelle sarebbero ferme, "congelate" ...conseguenza l'entropia sarebbe nulla, ciò cosa comporta?

Prima di tutto in base al Secondo Principio non può mai essere nulla.

Quantisticamente S=klogP se si arrivasse allo Zero Assoluto P=1 (particelle ferme e in stato localizzato, probabilità certa quindi 1) e di conseguenza S=0. Ma l'entropia di un sistema non può mai essere nulla, anzi tende a crescere!

Classicamente abbiamo detto che Entropia=Calore/Temperatura, quindi allo zero assoluto Entropia=Calore/Zero valore indeterminato!

Inoltre il volume all'abbassarsi della temperatura, a pressione costante, diminuisce e alla famigerata temperatura T= 0K il volume scomparirebbe... O.o

In compenso all'avvicinarsi a tale limite i materiali agiscono i modo strano... condensazione Bose-Eietien (collassano nello stato fondamentale), superfluidità (i gas nobili diventano dei superliquidi, liquidi talmente vicini all'idealità che non hanno viscosità). 

riferimenti: personalmente per la termodinamica trovo ottimo il Mencuccini 1, in alternativa Landau, Feymann

Se volete approfondire la meccanica quantistica vi cito Goodstein "States of Matter"  

(testi universitari)