Freddo che più freddo non si può

I valori di temperatura che siamo soliti utilizzare, ad esempio, per definire la temperatura ambientale, sono basati su una scala in cui lo zero è la temperatura a cui il ghiaccio fonde, cioè si trasforma in acqua passando dalla fase solida alla fase di liquida, mentre i 100 gradi sono la temperatura in corrispondenza della quale si ha la transizione dall'acqua liquida all'acqua in fase di vapore. Ci possono però essere temperature più basse rispetto a quella del ghiaccio fondente. D’inverno, si riescono a raggiungere temperature sottozero che sono appunto temperature negative. Sulle Alpi, a febbraio, si possono raggiungere tranquillamente meno 20 o 30 gradi. Ai poli scende fino a -60 o, addirittura, -80 °C. Niente in confronto alla temperatura di ebollizione dell’azoto molecolare (N₂), pari a circa -196 °C, mentre la temperatura di ebollizione dell’elio sfiora addirittura lo zero assoluto.

Con “zero assoluto” si intende la temperatura minima raggiungibile, che corrisponde a -273,15 °C (gradi Celsius). Ma perché si chiama così e perché non ci può essere il segno "meno" davanti alla temperatura assoluta? Ce lo spiega Valerio Rossi Albertini, divulgatore scientifico e fisico dell’Istituto di struttura della materia (Ism) del Cnr. “Il concetto di temperatura negativa è possibile perché noi lo abbiamo definito riferendoci a una scala convenzionale che ci è più comoda e più utile. L'acqua è l'elemento liquido più diffuso ed è quello biologicamente più importante, per questo era comodo adottarla come parametro di riferimento”, spiega Rossi Albertini. “Tuttavia, gli scienziati, al trascorrere del tempo, iniziarono a domandarsi che cos'è la temperatura e perché la percepiamo come una sensazione soggettiva di caldo e di freddo. In particolare, iniziarono a chiedersi quale fosse la natura intima della materia”.

Ecco che si comincia a considerare un altro parametro, ovvero la velocità media con cui si muovono i costituenti della materia, come gli atomi e le molecole. “Secondo la fisica classica i costituenti della materia possono stare vicini tra loro a formare un solido, possono essere vicini tra di loro ma con la facoltà di allontanarsi gli uni dagli altri come nel caso dei liquidi, oppure possono allontanarsi indefinitamente senza nessun vincolo, come nel caso dei gas”, prosegue il ricercatore. “Una caratteristica comune a tutti questi stati della materia è il fatto che i suoi costituenti si muovono di un moto disordinato. Questi movimenti sono caratterizzati da una velocità media e sono più intensi nello stato gassoso, lo sono meno nello stato liquido, e lo sono ancora meno in quello solido, in cui i costituenti della materia possono soltanto oscillare o vibrare essendo legati tra loro. A questo valore medio di velocità si può associare un altro parametro che corrisponde alla temperatura ed ecco che c'è quindi un cambio di prospettiva: la temperatura che in passato era stata un parametro soggettivo, una sensazione personale legata alla nostra risposta al caldo e al freddo, adesso diventa una vera e propria variabile fisica. A una determinata temperatura, i costituenti elementari della materia si muovono con una certa velocità. Se la temperatura è più alta, si muovono a una velocità più alta. Se la temperatura è più bassa, si muovono con una velocità minore”.

E se stanno fermi? “In questo caso, non possono avere una velocità media inferiore rispetto a quella che corrisponde a un sistema che è completamente fermo. Se stanno fermi, la temperatura è zero ed è questo che – nella nuova prospettiva - è definito “zero assoluto” perché non è possibile che un sistema abbia delle particelle che hanno velocità media minore di zero. Indipendentemente dalla direzione, la velocità è un valore sempre positivo o, al limite, uguale a zero. Nel caso in cui il valore sia rigorosamente zero, abbiamo lo zero assoluto di temperatura”.

I fisici, quindi, abbandonano la scala “arbitraria” di temperatura per passare alla scala assoluta, in cui lo zero corrisponde allo “zero assoluto”, che è espressa in kelvin (K), l'unità di misura della temperatura secondo il Sistema internazionale di unità di misura (SI). “Come ho spiegato, il concetto di temperatura negativa, ossia col segno meno, è applicato quando ci si riferisce alla scala Celsius, la scala di temperatura arbitraria definita dall’uomo attraverso una percezione di caldo e di freddo. La natura, invece, prescrive che ci debba essere una scala di temperatura assoluta che ha un valore minimo, in corrispondenza del quale la velocità dei componenti del sistema è nulla e che definiamo come “zero assoluto” che corrisponde a -273,15 °C. Nessun materiale, nessuna sostanza, può andare a temperature che siano al di sotto dei -273,15 °C. Questo valore è negativo quando è riferito allo zero della scala Celsius, ma i fisici adesso usano la scala assoluta, col vantaggio che non esistono segni meno”, conclude il fisico.

Fonte: Valerio Rossi Albertini, Istituto di struttura della materia , e-mail: valerio.rossi@ism.cnr.it