2.

Definizione

Il concetto di uno zero assoluto della temperatura scaturì da una serie di esperimenti con i gas. Quando si raffredda un volume fissato di gas, la pressione diminuisce; sebbene non sia possibile portare il gas al di sotto della sua temperatura di liquefazione, si possono comunque estrapolare graficamente i valori della pressione del gas in funzione della temperatura fino a quello teorico di pressione nulla, cui si fa corrispondere lo zero assoluto della temperatura (si pensi all'equazione di stato dei gas perfetti). Dal punto di vista teorico si associava allo zero assoluto l'assenza di moto di agitazione termica negli atomi e nelle molecole del gas; la meccanica quantistica ha mostrato invece che, anche in queste condizioni di temperatura, essi sono dotati di una piccola quantità di energia, detta energia di punto zero, senza che questo implichi trasmissione o produzione di calore.

Il concetto di zero assoluto – benché tale temperatura sia in pratica solo approssimabile – riveste un ruolo importante nell’ambito degli studi teorici. Secondo il terzo principio della termodinamica, infatti, l'entropia (che misura lo stato di disordine di un sistema) di un reticolo cristallino puro sarebbe nulla allo zero assoluto; questo risulta di notevole importanza nell'analisi delle reazioni chimiche e nella fisica quantistica.

1.

Metodi di avvicinamento allo zero assoluto

Le temperature prossime allo zero assoluto sono dette criogeniche. L'elio liquido, la cui temperatura di ebollizione in condizioni normali è di 4,2 K, può essere ottenuto con un criostato, un contenitore ben isolato termicamente, progettato dall'ingegnere meccanico statunitense Samuel Collins. Facendo evaporare l'elio in condizioni di bassa pressione, è possibile raggiungere la temperatura di 0,7 K, ma per ottenere temperature ancora più basse bisogna procedere magnetizzando e smagnetizzando sostanze paramagnetiche (sostanze caratterizzate da un basso valore della suscettività magnetica, ovvero da una scarsa risposta all'applicazione di campi magnetici esterni), come l'allume di cromo. Questo metodo, applicato per la prima volta nel 1937 dal chimico William Giauque, ha consentito di raggiungere temperature di 0,002 K con sali paramagnetici, e temperature di 0,00001 K con l'impiego di nuclei atomici.

Tecniche elettriche e magnetiche sono pure necessarie per compiere misurazioni di temperature prossime allo zero assoluto.

La più bassa temperatura mai raggiunta è stata ottenuta nel 2003 da un gruppo di ricerca del Massachusetts Institute of Technology guidato dal premio Nobel Wolfgang Ketterle: mediante una trappola gravitomagnetica i ricercatori hanno portato un gas di sodio alla temperatura di mezzo miliardesimo di grado al di sopra dello zero assoluto, un valore sei volte più basso del precedente record. Il raggiungimento di temperature criogeniche così spinte apre la possibilità di mettere a punto strumenti di precisione sempre più accurati quali orologi atomici, sensori di gravità e di rotazione.

2.

Comportamento dei materiali

Quando vengono raffreddati a temperature molto basse, i materiali mostrano proprietà singolari: ne è un esempio il fenomeno della superconduttività, ovvero la perdita quasi totale di resistività elettrica da parte di determinati conduttori portati a temperature inferiori a uno specifico valore critico. Il fenomeno fu osservato per la prima volta nel mercurio a pochi gradi sopra lo zero assoluto: oggi la ricerca sta realizzando composti e leghe capaci di mostrare un comportamento superconduttore a temperature sempre più elevate, fino ad alcune decine di gradi Kelvin. Un fenomeno analogo è quello della superfluidità, che caratterizza l’elio 4 e l’elio 3, a temperature rispettivamente di pochi gradi Kelvin il primo e di pochi millesimi di grado Kelvin il secondo.