Richard P. Feynman, "Sei pezzi facili", Adelphi 2000 (da pag. 25 apag. 40), 17 febbraio 2005
Consideriamo un’altra situazione. Supponiamo che il pistone si muova verso l’interno, in modo da costringere lentamente gli atomi in uno spazio minore
Consideriamo un’altra situazione. Supponiamo che il pistone si muova verso l’interno, in modo da costringere lentamente gli atomi in uno spazio minore. Cosa succede quando un atomo colpisce il pistone in movimento? chiaro che in seguito all’urto la sua velocità aumenta. Lo si può vedere, per esempio, facendo rimbalzare una pallina da ping-pong contro una racchetta che si muova in avanti: la pallina guadagna velocità. (Caso particolare: se un atomo è fermo e il pistone lo colpisce, comincerà sicuramente a muoversi). Dunque tutti gli atomi nel recipiente sono "più caldi" dopo aver colpito il pistone, hanno guadagnato velocità, il che significa che quando compriamo lentamente un gas, la sua temperatura aumenta. Un gas si scalda se viene sottoposto a una lenta compressione, e si raffredda sotto una lenta espansione. Ora torniamo alla nostra goccia d’acqua e osserviamone altri aspetti. Supponiamo di raffreddare la goccia, in modo che l’agitarsi delle molecole e degli atomi diminuisca progressivamente. Sappiamo che tra gli atomi ci sono forze di attrazione, quindi dopo un po’ essi non riescono più a muoversi con facilità. A temperatura molto bassa la situazione è quella indicata nella figura 4: le molecole restano incastrate in una nuova configurazione, il ghiaccio. Questa raffigurazione schematica del ghiaccio è inesatta perché è in due dimensioni, ma da un punto di vista qualitativo è corretta. La cosa interessante è che in questo materiale ogni atomo ha un suo posto preciso e quindi, dato che tutti gli atomi sono rigidamente collegati, se in qualche modo fissiamo gli atomi in una certa posizione a un’estremità della goccia, automaticamente verrà determinata la disposizione degli atomi all’altra estremità (a chilometri di distanza, in questa scala). Quindi, se teniamo fermo un ghiacciolo a un’estremità, l’altra resisterà al tentativo di spostarlo, a differenza dell’acqua, la cui struttura si disgrega a causa dell’intensificarsi del moto di agitazione, che porta gli atomi, a milioni di atomi di distanza, dall’altro lato. Nella figura 4 vediamo una configurazione immaginaria, la quale, sebbene riproduca alcune caratteristiche reali del ghiaccio, non è quella vera. Una delle caratteristiche rappresentate correttamente è l’esistenza di una simmetria esagonale. Se ruotiamo la figura di 120° attorno a un asse perpendicolare al foglio, ritorna uguale a se stessa; quindi esiste una simmetria, nel ghiaccio, che rende conto della forma esagonale dei fiocchi di neve. Dalla figura 4 si capisce anche perché il ghiaccio diminuisce di volume quando si scioglie: la struttura cristallina presenta molti "buchi", una caratteristica tipica del ghiaccio, che quando la struttura si frantuma vengono occupati da molecole. Quasi tutte le sostanze semplici, a eccezione dell’acqua e del metallo tipo, si espandono quando si sciolgono: nel cristallo solido, infatti gli atomi sono strettamente stipati, mentre allo stato liquido hanno bisogno di più spazio per muoversi; ma una struttura aperta, come quella dell’acqua, si contrae. Benché il ghiaccio abbia una forma cristallina "rigida", la sua temperatura può variare: il ghiaccio contiene calore, e volendo possiamo cambiarne la quantità. Cos’è il calore nel caso del ghiaccio? Gli atomi non stanno fermi: si agitano e vibrano, e quindi, nonostante la struttura del cristallo sia definita e ordinata, tutti gli atomi vibrano "sul posto". Aumentando la temperatura vibrano con ampiezza sempre maggiore, finché a forza di agitarsi non si scrollano via dalla loro posizione. Questo è il processo che va sotto il nome di fusione. Diminuendo la temperatura la vibrazione diminuisce sempre più, finché allo zero assoluto diventa minima, ma non zero. Questo minimo di moto degli atomi non è sufficiente per fondere alcuna sostanza, con una sola eccezione: l’elio. Nell’elio i moti atomici diminuiscono fino al limite minimo, ma anche allo zero assoluto questo moto è sufficiente per impedirgli di gelare. Perfino allo zero assoluto l’elio non gela, a meno che la pressione sia così forte da schiacciare gli atomi l’uno contro l’altro. Aumentando la pressione si riesce a solidificarlo.