raffreddamento

L’atto e l’effetto del raffreddare o del raffreddarsi di un corpo, con una diminuzione della sua temperatura, dovuta a trasformazioni termodinamiche provocate oppure spontanee.

Fisica

In fisica atomica, r. laser di atomi, tecnica per ottenere velocità molto basse ed elevate densità di atomi mediante una radiazione laser.

Lo studio di sistemi atomici a bassissima temperatura richiede di sottrarre agli atomi energia cinetica. Considerando che la velocità degli atomi, a temperatura ambiente, è a seconda della massa atomica dell’ordine di 100-1000 m/s, e volendo ottenere velocità molto basse ed elevate densità senza che siano variate le proprietà intrinseche del sistema, per temperature superiori a quella di condensazione del gas si può raffreddare il sistema stesso sfruttando le collisioni degli atomi con le pareti fredde del contenitore. Volendo, invece, raggiungere velocità corrispondenti a temperature dell’ordine di 10⁻⁶ K, si possono utilizzare tecniche di r. laser che hanno costituito la motivazione per l’assegnazione del premio Nobel per la fisica nel 1997 a C. Cohen-Tannoudji, S. Chu e W.D. Phillips. In tali tecniche si diminuisce l’energia cinetica degli atomi utilizzando l’impulso scambiato tra un fotone e l’atomo durante i processi di assorbimento ed emissione di luce. Se un atomo di massa M si muove in verso opposto a quello di un fascio laser di frequenza ν per ogni fotone che egli assorbe, stante il principio della conservazione della quantità di moto, la sua velocità deve variare della quantità (detta velocità di rinculo) v_r=hν/(Mc), dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce nel vuoto e hν/c l’impulso del fotone. Nel caso, per es., della transizione D₂ di un atomo di sodio dotato di una velocità di circa 1000 m/s, per arrestarlo è sufficiente che esso subisca circa 33.000 processi di assorbimento. Dopo ogni assorbimento di un fotone l’atomo dovrà diseccitarsi con un’emissione spontanea prima di poter assorbirne un altro: poiché l’emissione spontanea avviene in una direzione casuale, in media tale processo non varia la velocità dell’atomo. Un ciclo di assorbimento e riemissione può impiegare un tempo dell’ordine della vita media τ dello stato eccitato dell’atomo, che è di qualche decina di nanosecondi, sicché per assorbire il numero di fotoni sufficienti per l’arresto bastano alcuni millisecondi. Il tempo effettivamente impiegato, oltre che dal valore di τ, dipende da diversi fattori, quali la frequenza e l’intensità della radiazione laser. Il valore inferiore limite della temperatura raggiungibile è dato dalla competizione di due fenomeni: il primo è connesso alla circostanza che l’indeterminazione finale sulla velocità degli atomi non può essere inferiore a quella corrispondente al rinculo per emissione di singolo fotone; il secondo consegue dalla circostanza che l’emissione spontanea non modifica il valore medio dell’impulso atomico, ma ne aumenta l’indeterminazione. Il primo processo dà luogo a una temperatura limite (detta temperatura di rinculo) T_r=(hν_L/c)²/(Mk), dove ν_L è la frequenza della radiazione laser e k la costante di Boltzmann; il secondo processo conduce invece a una temperatura limite (detta temperatura Doppler) T_D=h/(4πτk). Temperature inferiori a questi limiti possono essere conseguite facendo seguire al r. laser un’espansione adiabatica del campione di materia da raffreddare. In tal modo sono state ottenute dal gruppo di W. Ketterle nel 2003 le minime temperature conseguite in laboratorio (0,5 × 10⁻⁹ K).

Tecnica

Per quanto attiene al funzionamento di macchine o impianti, il r. viene ottenuto con modalità e mezzi dipendenti dalle esigenze specifiche, connesse ai flussi termici che devono essere scambiati in conseguenza di produzioni di calore (macchine termiche, attriti meccanici, effetto Joule ecc.), in modo che la temperatura del sistema sia controllata, sia per le esigenze del processo stesso, sia perché dai valori della temperatura dipendono la resistenza dei materiali, le proprietà degli altri lubrificanti, l’isolamento elettrico degli isolanti ecc. In linea di principio, l’asportazione del calore è ottenuta per mezzo di un fluido (fluido refrigerante) che viene fatto circolare in modo da lambire le superfici calde: la circolazione può essere naturale o forzata. Se il sistema da raffreddare è a sua volta un fluido, l’apparecchiatura per il r. è uno scambiatore di calore; il fluido refrigerante può essere liquido o gassoso e la circolazione può essere del tipo aperto, se alla fine del ciclo il refrigerante viene espulso e sostituito con altro ‘fresco’, o del tipo chiuso, se il fluido refrigerante è sempre lo stesso (in tal caso deve essere a sua volta raffreddato entro apposite apparecchiature). Il fluido refrigerante deve avere particolari requisiti: completa inerzia chimica, elevato calore specifico, elevato punto di ebollizione, basso punto di congelamento, minima viscosità ecc. Il liquido più comunemente usato è l’acqua, per temperature fino a 0 °C. Per temperature inferiori, all’acqua vengono aggiunti additivi anticongelanti. In alcuni casi vengono utilizzati in ciclo chiuso metalli liquidi (per es., il sodio nel r. di alcuni reattori nucleari). Il gas più largamente usato è l’aria; in alcuni casi particolari si usa anidride carbonica, in altri l’idrogeno, che presenta un elevato calore specifico e dà luogo a minori perdite per attrito sulle parti rotanti. Importante nei processi di r. è l’aspetto economico, sia per gli oneri di installazione sia per i costi di esercizio.