Capita sempre più frequentemente di imbattersi in un’unità di misura della temperatura diversa dal solito grado centigrado (°C) o da quello Fahreneit (°F), usato in Usa: parliamo del Kelvin (K, senza “°”), unità della scala di temperatura assoluta, utilizzato per le misure in fenomeni fisici che coinvolgono temperature molto basse o in particolari processi tecnologici.
Meno nota è forse la sua definizione, stabilita dai metrologi come un duecentotrentatreesimo della temperatura del cosiddetto punto triplo dell’acqua. Questo è il punto in cui convivono le fasi solida, liquida e aeriforme e per l’acqua è molto vicino a zero °C. Il problema è che una definizione del genere implica la determinazione di una costante fisica fondamentale, la costante di Boltzmann “k”, la cui misura precisa richiede apparecchiature e procedimenti molto sofisticati.
Da tempo, peraltro, tra i metrologi c’è insoddisfazione per questo tipo di unità di misura e dal celebre Bureau dei Pesi e Misure di Sèvres (Francia) si leva insistente la voce che “il kelvin è maturo per essere ridefinito”, come ha dichiarato recentemente a Nature Richard Davis. Infatti nei laboratori di metrologia più attrezzatisi sta già lavorando in questa direzione, come alla divisione Termodinamica dell’INRiM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica) di Torino, dove opera come responsabile del programma Campioni di Temperatura Mauro Battuello, che abbiamo interpellato sull’argomento.
Per la definizione del Kelvin è importante il valore della costante di Boltzmann: con che precisione è attualmente stabilito tale valore?
Attualmente alla costante k di Boltzmann è assegnato il valore di 1,3806504×10-23 J K-1 con un’incertezza di 1,7 milionesimi. La limitazione più forte risiede, non tanto nell’incertezza, ma nel fatto che l’attuale valore di k è praticamente basato sui risultati di un solo esperimento di termometria acustica condotto circa vent’anni fa da Mike Moldover presso il NIST (National Institute of Science and Technology) americano.
È possibile migliorare questa precisione?
Occorre dire che il lavoro sperimentale e di analisi dei risultati del NIST è stato ottimo e quindi non possiamo attenderci riduzioni dell’incertezza molto spinte. L’approccio metrologico corretto in simili situazioni è quello di cercare conferme in altre determinazioni, possibilmente condotte anche con metodi di misura diversi. A tale scopo l’Unione Europea, nell’ambito dell’iniziativa iMERA-Plus per la ricerca metrologica, ha finanziato un progetto dal titolo Determination of the Boltzmann constant for the redefinition of the kelvin che vede coinvolti i maggiori istituti metrologici europei, tra cui l’INRiM, e che si pone l’obiettivo di giungere ad un valore di k determinato attraverso misure effettuate in più laboratori e con metodi diversi, con un’incertezza intorno a un milionesimo. Se tale obiettivo sarà raggiunto, disporremo di un valore di k non solo un po’ più preciso, ma metrologicamente molto più sicuro.
Perché c’è la necessità di ridefinire il kelvin e che conseguenze ne deriverebbero?
L’unità di temperatura termodinamica, il kelvin, è definito come la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell’acqua. È evidente la forte connessione, e dipendenza dell’unità rispetto a una proprietà di un materiale, l’acqua, e a un artefatto, la cella per la realizzazione del punto triplo. Basti ricordare che recentemente, nel 2005, tale definizione è stata modificata specificando anche la composizione isotopica che deve possedere l’acqua utilizzata per la preparazione delle celle, proprio perché le misure hanno evidenziato una dipendenza in tal senso. È quindi evidente che sarebbe vantaggioso svincolare la definizione del kelvin da una situazione particolare e agganciarla invece a una costante fisica fondamentale, seguendo così la stessa strada di altre unità fondamentali del Sistema di Misura Internazionale.
Va altresì ricordato che una nuova definizione così intesa, non avrebbe ripercussioni significative sulla grande maggioranza delle misure pratiche di temperatura condotte quotidianamente, sia negli ambiti industriali/produttivi sia in quelli delle attività personali. Qualche conseguenza potrebbe esserci in misure di laboratorio estremamente precise, in particolare nel campo delle altissime temperature, oltre i 2000 K.
Come state procedendo in proposito all’INRIM?
La metrologia italiana, seguendo una consolidata tradizione di presenza a livello dei migliori istituti metrologici europei e mondiali, è fortemente inserita nell’iniziativa iMERA-Plus prima citata. Più gruppi di ricerca della Divisione Termodinamica dell’INRiM sono impegnati direttamente e/o attraverso collaborazioni internazionali nell’effettuazione degli esperimenti con i tre metodi seguiti nel progetto iMERA-Plus. Un esperimento per la misura della velocità del suono in risonatori acustici utilizzanti gas Elio viene condotto presso i laboratori di Acustica Fisica dell’ INRiM attraverso una collaborazione tra ricercatori esperti in acustica e in termometria. Collaborazioni sono poi in corso nell’ambito degli altri due metodi utilizzati, rispettivamente termometria a costante dielettrica in gas (collaborazione col PTB, l’istituto metrologico tedesco) e tecnica di spettroscopia Doppler (con la Seconda Università di Napoli).
Quali sono i problemi da risolvere per realizzare una nuova misura?
Il controllo di temperatura degli apparati di misura utilizzati nei vari esperimenti è uno dei fattori di criticità per il raggiungimento dell’ incertezza finale. Per tutti tre i metodi utilizzati INRiM possiede capacità a livello di stato dell’arte nella realizzazione di sistemi di controllo e misura di temperatura. In particolare, INRiM ha realizzato un bagno termostatico di grande volume con controllo di temperatura a livello di 0,1 mK per l’ esperimento di termometria a costante dielettrica condotto al PTB e una cella isoterma a vapore d’acqua con stabilità entro 0,05 mK per l’esperimento di spettroscopia Doppler condotto a Napoli.
Quando e chi deciderà se adottare la nuova definizione?
La CGPM (Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure), che riunisce tutti i delegati degli Stati membri della Convenzione del Metro e che si riunisce a Parigi ogni quattro anni, è la più alta espressione della metrologia mondiale ed è l’organismo deputato a tali decisioni. La prossima riunione, la 24ma della sua storia, è programmata per il 2011 e in quella sede è probabile si perverrà alla ridefinizione non solo del kelvin, ma anche di ampere, kilogrammo e mole.
a cura di Mario Gargantini
