mercoledì 14 ottobre 2015

La caccia alle basse temperature: lo Zero Assoluto


 Ciao a tutti amanti della fisica!
 Avete mai sentito parlare dello Zero Assoluto, la temperatura più bassa raggiungibile secondo la fisica? Vi siete mai chiesti perché non è possibile scendere a temperature inferiori? E come si fa a raffreddare fino a tal punto un sistema fisico? Continuate a leggere per avere tutte le risposte!



L'importanza dei gas

 Quando si cerca di abbassare la temperatura di un sistema è doveroso menzionare i gas, per almeno due motivi:
  • le leggi che li descrivono sono molto più semplici di quelle che regolano il comportamento di solidi e liquidi, specialmente a basse temperature.
  • il loro impiego, come vediamo tra poco, è necessario per gran parte delle tecniche di raffreddamento.
Inoltre, la prima indicazione che esistesse una temperatura minima fu individuata verso la fine del 1700 proprio studiando il comportamento di un gas.

  Charles, uno scienziato francese, scoprì che portando un
Jacques Alexandre César Charles
gas a zero gradi Celsius questo si contraeva di una parte su 273 quando lo si raffreddava di un grado, e analogamente si dilatava della stessa frazione quando lo si riscaldava. Da ciò Charles ricavò una legge molto famosa, secondo la quale il volume di un gas a pressione costante è proporzionale alla sua temperatura.


 Tuttavia, Charles non pubblicò i suoi risultati, che furono riscoperti qualche anno più tardi da un suo compatriota: Gay-Lussac, che battezzò la legge col suo nome.


 Era evidente però che la relazione appena scoperta non poteva valere in maniera del tutto generale. Questa prevedeva infatti che un gas portato alla temperatura di -273° avrebbe dovuto avere un volume nullo, il ché era contro ogni buon senso. A ciò si aggiunge il fatto che ogni gas, se raffreddato a sufficienza, si trasforma in un liquido. Sembrava insomma che la Legge di Gay-Lussac valesse solamente fino a quando il gas non si liquefaceva.
Il vapore acqueo condensa quando fa più freddo
Tuttavia, a quel tempo non si conoscevano ancora le tecniche per portare una sostanza (liquida o gassosa che fosse) a temperature prossime allo Zero Assoluto, come viene oggi chiamata la temperatura di -273°. L'ipotesi pertanto non potè essere testata immediatamente.

 Con lo sviluppo della teoria atomica, la descrizione del comportamento dei gas fece un importante passo in avanti. Era diventato chiaro che il volume occupato da un gas dipendesse dalla velocità delle particelle, al punto che in prima approssimazione il volume può essere considerato addirittura proporzionale alla velocità delle molecole del gas in questione.

 Nella seconda metà dell'800, il fisico inglese William Thomson, altresì noto come Lord Kelvin, suggerì che portando un gas allo zero assoluto non si annullasse il suo volume ma che fosse invece l'energia cinetica delle sue particelle a ridursi a zero *(a voler essere precisi, Thomson supponeva che riducendo di un grado la temperatura del gas l'energia si riducesse di una parte su 273) .
Lord Kelvin
Difatti, a differenza del volume, l'energia poteva annullarsi completamente.


 La conclusione a cui giunse Thomson fu che, dal momento che l'energia cinetica delle molecole non poteva diventare negativa, la temperatura di -273° **(più precisamente -273.15°) dovesse essere la minima possibile. Da quel momento tale limite venne chiamato anche zero Kelvin. Inoltre, questa spiegazione rendeva conto della liquefazione dei gas:
  • a temperatura ambiente una qualche sostanza si presenta gassosa perché le sue molecole hanno sufficiente energia per non rimanere legate fra loro.
  • riducendo la temperatura questa sostanza è costretta a liquefarsi. Questo avviene perché le molecole, disponendo di meno energia, sono costrette ad ammassarsi in un volume più piccolo e a formare alcuni deboli legami. Tuttavia, in una certa misura, le molecole restano ancora libere di scorrere l'una sull'altra.
  • a temperature ancora inferiori le molecole non hanno nemmeno energia sufficiente a scorrere, e possono solamente restare ancorate alla loro posizione, attorno alla quale possono al massimo vibrare: la sostanza si è solidificata.

 Kelvin predisse quindi che, avvicinandosi allo zero assoluto, i gas avrebbero dovuto non solo liquefarsi, ma si sarebbero solidificati!


Come funzionano la liquefazione e la solidificazione?

 Ma come raggiungere queste temperature improponibili? Il primo a riuscire a liquefare un gas fu Michael Faraday, un fisico inglese. Questi produsse del cloro liquido con una tecnica non troppo dissimile da quella che sto per descrivervi. Quello che però è fondamentale conoscere per comprendere questo procedimento sono i fattori che spingono le molecole di un gas a perdere la loro energia. Quelle che prenderemo in esame sono due:
  1. Un gas tende a raffreddarsi (e quindi a liquefarsi) se si abbassa la sua temperatura - ovviamente.
  2. Un gas si raffredda se la pressione a cui è sottoposto diminuisce. Similmente, un gas si scalda se la pressione a cui è sottoposto aumenta. Osserviamo quest'effetto quando spruzziamo del deodorante: mano a mano che facciamo uscire il gas, la pressione interna cala e noi avvertiamo una diminuzione della temperatura della bomboletta spray.
 In maniera simile è possibile raffreddare anche un liquido. Infatti, le molecole di liquido con più energia tendono a "staccarsi" da esso, e in gran numero provocano l'evaporazione del liquido. Ne consegue che le molecole che rimangono nel liquido sono meno energetiche, pertanto il liquido non evaporato è più freddo.

 Possiamo sperimentare quest'effetto ogni volta che sudiamo: il nostro corpo emette acqua che, evaporando, lascia sulla nostra pelle solo la parte più fredda, che abbassa la nostra temperatura.

 Bisogna considerare anche un altro fattore: indipendentemente dalla pressione a cui è soggetto, un gas non può liquefarsi se la sua temperatura è superiore a una certa temperatura critica. Quest' ultima varia da sostanza a sostanza. Tuttavia, con le tecniche note fino alla fine del 1800 non si era in grado di portare alcuni gas al di sotto della loro temperatura critica. Di conseguenza alcune sostanze, come l'idrogeno, non erano ancora state liquefatte, nè tantomeno solidificate.

La tecnica di Hampson

 La tecnica che segue fu architettata dal chimico inglese William Hampson nel 1895. Per darvi un'idea della sua importanza storica vi basti pensare che questa rese possibile raggiungere temperature inferiori a 1 grado Kelvin (circa -272°) quando tutte le altre non riuscivano a spingersi al di sotto di 70 Kelvin! 

  In breve il funzionamento è questo:
Immaginiamo di voler ottenere dell'idrogeno solido (quindi di volerlo raffreddare fino a -259°).
  1. Inseriamo il gas di idrogeno in un piccolo compressore, in grado di aumentare la pressione esercitata sul gas.
  2. Comprimiamo il gas. Come conseguenza di ciò la sua temperatura aumenterà, ma noi lo lasceremo raffreddare fino a quando non sarà tornato alla temperatura ambientale.
  3. Ripetiamo i primi due punti con un altro compressore.
  4. Espandiamo repentinamente uno dei due gas di idrogeno, in modo che la sua temperatura cali di un certo valore, e inseriamo il gas ancora compresso all'interno di quello più freddo.
  5. Aspettiamo che l'idrogeno compresso si porti alla temperatura di quello espanso (molto più bassa).
  6. Facciamo espandere il secondo gas che, trovandosi a una temperatura iniziale minore di quella ambientale si porterà a una temperatura ancora più bassa di quella del gas espanso precedentemente.
  7. Se immaginiamo di reiterare il processo inserendo all'interno di questo gas ancora più freddo un altro compressore capiamo come possiamo portare l'idrogeno a temperature prossime allo zero assoluto.
 Questa tecnica non è la più sofisticata a noi nota, ed è stata rimpiazzata da metodi di raffreddamento più efficaci, tuttavia questa ha aperto le porte della ricerca a temperature prossime allo zero Kelvin.


Conclusioni

 Ad ogni modo, come spesso accade, il successo della tecnica di Hampson non fu totale. Questa permise di portare allo stato solido qualunque gas noto, con una sola eccezione: l'Elio. Si tratta dell'elemento meno reattivo della Tavola Periodica, pertanto i suoi atomi sono estremamente ostinati a non formare legami tra di loro. Per questa ragione è estremamente difficile ottenere dell'elio solido. 

 Tuttavia, il "problema" dell'elio non porta solo frustrazione, ma ha permesso di effettuare scoperte molto importanti. Il fatto è che l'elio è l'unica sostanza che rimane liquida anche a bassissime temperature. Questo ha permesso di studiare il comportamento di alcuni materiali in condizioni prossime allo zero Kelvin, ed è stato osservato che la materia si comporta in maniera molto curiosa in questo stato.

 Purtroppo, però, il comportamento della materia ultrafredda non è l'argomento di questo post, che vorrei chiudere qui - promettendo che prossimamente tratteremo anche questo.
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio





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