Terzo Principio della Termodinamica: enunciato, entropia e zero assoluto
- 21 ore fa
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Il terzo principio della termodinamica, noto anche come principio di Nernst-Simon, stabilisce un limite fisico fondamentale: è impossibile raggiungere lo zero assoluto attraverso un numero finito di processi. In questo articolo trovi l'enunciato completo, il legame con l'entropia e le conseguenze fisiche di questo principio.
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Cos'è il terzo principio della termodinamica?
La termodinamica classica si fonda su tre principi fondamentali. Il primo riguarda la conservazione dell'energia, il secondo fissa un limite alla direzione dei processi spontanei attraverso il concetto di entropia, il terzo completa il quadro stabilendo il comportamento dei sistemi fisici al limite della temperatura più bassa possibile: lo zero assoluto. Il terzo principio della termodinamica prende anche il nome di principio di Nernst-Simon, dai fisici Walther Nernst e Franz Simon che contribuirono alla sua formulazione nei primi decenni del Novecento. Il suo enunciato è:
«In una trasformazione reversibile si ottiene una variazione di entropia. La temperatura è allo zero assoluto e quindi anche la variazione di entalpia tenderà a 0»
Il legame tra entropia, temperatura e calore
Per comprendere le conseguenze del terzo principio è necessario richiamare la relazione fondamentale che lega il calore scambiato, la temperatura e la variazione di entropia in una trasformazione reversibile:
dove:
Q = calore scambiato dal sistema
T = temperatura assoluta del sistema (in Kelvin)
ΔS = variazione di entropia
Questa relazione mostra che il calore scambiato in una trasformazione reversibile è proporzionale sia alla temperatura che alla variazione di entropia. Le conseguenze del terzo principio diventano immediatamente chiare applicando questa formula al limite T → 0.
Conseguenze del terzo principio
La variazione di entropia tende a zero
Il terzo principio afferma che quando la temperatura tende allo zero assoluto (T → 0 K), anche la variazione di entropia tende a zero:
Questo significa che avvicinandosi allo zero assoluto il sistema raggiunge uno stato di ordine massimo: le molecole tendono a occupare il livello energetico più basso possibile e la variazione di entropia associata a qualsiasi trasformazione diventa sempre più piccola.
Il calore scambiato tende a zero
Sostituendo nella formula Q = T·ΔS, se sia T che ΔS tendono a zero, anche il calore scambiato tende a zero:
Questo ha una conseguenza fisica diretta e profonda: man mano che un corpo si avvicina allo zero assoluto, diventa sempre più difficile sottrargli calore. Per raffreddare ulteriormente il sistema occorre estrarne sempre meno energia, ma questa energia diventa progressivamente più difficile da rimuovere. Il risultato è che attraverso un numero finito di processi non è mai possibile raggiungere esattamente lo zero assoluto.
L'impossibilità di raggiungere lo zero assoluto
La conseguenza più importante e nota del terzo principio è proprio questa: è impossibile raggiungere lo zero assoluto (0 K = -273,15 °C) attraverso un numero finito di processi termici. Si può solo tendere ad esso asintoticamente, avvicinandosi sempre di più ma senza mai raggiungerlo.
Con la tecnologia moderna si riesce ad avvicinarsi a temperature incredibilmente prossime allo zero assoluto — nell'ordine dei microkelvin o addirittura dei nanokelvin — ma la barriera fisica imposta dal terzo principio non è mai stata superata e, per quanto ne sappiamo, non potrà mai esserlo.
Il terzo principio e l'entropia assoluta
Un'altra importante conseguenza del terzo principio riguarda la definizione di un valore assoluto per l'entropia. Mentre per l'energia interna e l'entalpia si misurano solo le variazioni, il terzo principio permette di fissare un punto di riferimento assoluto: l'entropia di un cristallo perfetto a zero assoluto è uguale a zero.
Questo consente di definire l'entropia assoluta di qualsiasi sostanza a qualsiasi temperatura, semplicemente integrando i calori specifici dalla temperatura zero fino alla temperatura di interesse. Questa possibilità non esiste né per l'energia interna né per l'entalpia, dove si possono misurare solo le variazioni.
Confronto tra i tre principi della termodinamica
Per comprendere meglio il ruolo del terzo principio è utile confrontarlo con i primi due:
Il primo principio afferma che l'energia si conserva: in qualsiasi processo il calore assorbito è uguale alla somma del lavoro compiuto e della variazione di energia interna.
Il secondo principio stabilisce la direzione dei processi spontanei: l'entropia di un sistema isolato non può diminuire, e i processi reali sono sempre irreversibili.
Il terzo principio fissa il comportamento al limite inferiore della scala delle temperature: a zero assoluto l'entropia raggiunge il suo valore minimo (zero per un cristallo perfetto) e tale temperatura non è raggiungibile con un numero finito di processi.
I tre principi insieme formano il fondamento completo della termodinamica classica.
Conclusione
Il terzo principio della termodinamica, pur essendo il meno citato tra i tre, ha implicazioni profonde sia teoriche che pratiche. Stabilisce un limite fisico assoluto alla scala delle temperature, rende possibile la definizione dell'entropia assoluta e impone un confine invalicabile alle tecnologie di raffreddamento. La moderna fisica delle basse temperature, dalla superconduttività alla superfluidità, si sviluppa proprio all'ombra di questo principio: avvicinarsi allo zero assoluto senza mai poterlo toccare.
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