Zero assoluto, perché la minima temperatura possibile è proprio –273,15 °C

Lo zero assoluto è la minima temperatura possibile in linea di principio: corrisponde a –273,15 gradi Celsius (°C) e rappresenta il limite fisico per il freddo, coorispondente alla situazione (irraggiungibile in pratica) in cui le molecole, gli atomi o le particelle che costituiscono un sistema fisico sono completamente ferme e dunque non hanno nessun moto di vibrazione. Attorno a questo concetto è stata impostata la scala Kelvin per le temperature, che ha il suo zero proprio in corrispondenza dello zero assoluto. La temperatura media dell'Universo è di circa 3 °C sopra lo zero assoluto ed è dovuta all'energia trasportata dalla radiazione cosmica di fondo. Il record per la temperatura minima registrato sul nostro pianeta è di –89,2 °C, cioè 184 °C sopra lo zero assoluto. Intorno alla Terra, dove orbita per esempio la Stazione Spaziale Internazionale, le aree in ombra rispetto al Sole raggiungono i –100 °C circa, cioè 173 °C sopra lo zero assoluto.

La scala Kelvin e il limite teorico della temperatura

Le temperature che abbiamo indicato prima sono tutte espresse in gradi Celsius, l'unità più utilizzata comunemente. È una scala di misurazione che prende come riferimento i principali fenomeni fisici dell'acqua, la sostanza più importante per la vita sulla Terra: definisce 0 °C la temperatura di congelamento e 100 °C quella di ebollizione, ricavando così l'unità di misura, il grado Celsius o grado centigrado. In alcuni paesi, come gli USA, la temperatura si misura invece in Fahrenheit °F, una scala con riferimenti diversi.

In ambito scientifico, però, si usa la scala Kelvin. La scala ha come unità di misura il kelvin, indicato con il simbolo K, che ha la stessa ampiezza di un grado Celsius (1 K = 1 °C) ma ha lo zero in corrispondenza dello zero assoluto: per questo le temperature indicate in kelvin sono dette anche temperature assolute. Si tratta di una scala inventata dallo scienziato William Thomson, noto come Lord Kelvin, influenzato anche dagli studi del fisico James Prescott Joule.

Thomson intendeva creare un sistema "assoluto", non legato alle caratteristiche dell'acqua ma basato su calcoli teorici, mantenendo però l'unità minima del grado legata a un valore di "lavoro meccanico" costante.

Sulla base del rapporto tra temperatura e volume e pressione di un gas, Kelvin fu quindi in grado di calcolare lo zero assoluto (0 K) corrispondente a –273, 15 °C, e basare su questo valore una nuova scala di misurazione.

I gas perfetti: pressione, volume e temperatura

Per capire come Kelvin sia arrivato a questo numero, dobbiamo fare qualche passo indietro, prepararci un piccolo esperimento e ad affrontare un po' di fisica: cercheremo di farla breve.

Se gonfiamo un palloncino per poi metterlo in frigo, quest'ultimo si restringerà: l'abbassamento di temperatura porterà infatti alla diminuzione di volume e pressione interna del palloncino. Riportandolo a temperatura ambiente, lo vedremo invece espandersi fino alla condizione originaria (o quasi, perché nella realtà nulla è perfetto, tantomeno i gas). Perché accade tutto questo?

Secoli di studi, a partire dalle scoperte del fisico Boyle nel Seicento a quelle di Gay-Lussac e del chimico Amedeo Avogadro nel 1800 portarono il fisico Émile Clapeyron a formulare la legge dei gas perfetti:

pV = nRT

Questa legge indica come il prodotto tra pressione (p) e volume (V) di un gas dipendano direttamente dalla temperatura (T): queste grandezze sono le uniche variabili possibili, visto che R è una costante e n è la quantità di sostanza, in questo caso "chiusa" nel palloncino, misurata in moli (un'unità usata in chimica, che corrisponde a 6,022 · 10²³ atomi o molecole di sostanza).

La temperatura di un corpo, nel nostro caso una massa di gas, è in realtà una misura dell'energia cinetica media posseduta dagli atomi o dalle molecole di una sostanza. Questa energia è legata al movimento di queste particelle nello spazio, come le vibrazioni e rotazioni di legami tra un atomo e l'altro nelle molecole e dell'energia posseduta dagli elettroni.

Abbassare la temperatura significa quindi "rallentare" gli atomi: questo fa abbassare la pressione, che semplificando può essere vista come la "forza" con cui atomi o molecole spingono dall'interno del palloncino verso l'esterno. Per questo motivo, con il freddo il volume del palloncino diminuisce.

Il significato dello zero assoluto di Kelvin

L'idea geniale di Kelvin fu quindi questa: calcolare a quale temperatura il volume di un gas, diminuendo progressivamente, potesse arrivare a zero.

Dato che la sostanza non può "scomparire" nel nulla, e il volume non può diventare negativo, la temperatura calcolata in –273,15 °C oppure 0 K è quindi il valore minimo assoluto.

Considerando la temperatura come una misura del "movimento" degli atomi, allo zero assoluto questi raggiungerebbero idealmente l'immobilità, una conseguenza indicata da Kelvin e Boltzmann in seguito ai loro studi.

Questo assunto, valido per la fisica "classica", si scontrebbe però con i principi della moderna fisica quantistica, e in particolare con il principio di indeterminazione di Heisenberg: di una particella "ferma" si potrebbe infatti misurare contemporaneamente la posizione e la velocità (zero). In fisica quantistica, alla temperatura di 0 K si parla quindi di uno "stato di energia minimo" delle particelle-onda… Ma in questo articolo non ci addentreremo in questi dettagli. Vi basti sapere che in fisica esiste un principio, il terzo principio della termodinamica, secondo cui lo zero assoluto non è raggiungibile: ci si può avvicinare arbitrariamente, ma nulla nell'Universo può avere quella esatta temperatura, proprio perché da un punto di vista quantistico le molecole non possono essere perfettamente ferme. Moderni esperimenti ci permettono di raggiungere temperature davvero prossime allo zero assoluto, con un record di 38 pK (picokelvin, cioè millesimi di miliardesimi di grado).

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