La temperatura dell’Universo, o di una qualunque sua porzione, non può scendere al di sotto di zero Kelvin perché questa è la temperatura più bassa possibile, quella che corrisponde alla temperatura di un sistema termodinamico quando da esso sia stata estratta tutta l’energia disponibile all’estrazione.
Una volta che si introduce la scala Kelvin delle temperature si dimostra che, per non violare il II Principio della Termodinamica, la porzione di una quantità Q di calore che può essere trasformata in lavoro L è
dove TF è la temperatura del sistema (generalmente l’ambiente) verso cui viene riversato il calore non convertito e TC è la temperatura del sistema da cui viene estratto il calore da convertire. Analogamente, se impieghiamo una quantità di energia meccanica L, la quantità di calore Q che può essere estratta da un corpo più freddo dell’ambiente circostante non può essere superiore a
.
Dalla seconda di queste due formule si deduce che da un corpo che si trova già alla temperatura di zero Kelvin non è possibile estrarre alcuna energia, perchè si vede che in tal caso il calore estraibile è nullo indipendentemente da quanta energia meccanica possiamo impiegare allo scopo. Senza estrarre energia non è possibile ridurre la temperature di un corpo per cui lo zero della scala Kelvin è effettivamente la temperatura più bassa che si possa raggiungere. Per tale motivo questa temperatura è anche detta Zero Assoluto. Per inciso, è possibile dimostrare che l’energia meccanica necessaria per estrarre il calore necessario a portare un qualunque corpo allo zero Kelvin è infinita, per cui, non essendo mai disponibile un’energia infinita, lo zero assoluto non è una temperatura raggiungibile, anche se ci si può avvicinare quanto si vuole a questo valore.
Per chiarire meglio il discorso precedente va specificato che, per energia disponibile all’estrazione, intendiamo l’energia contenuta nel sistema nella forma differenza di energia rispetto allo stato fondamentale (cioè lo stato ad energia più bassa). Tuttavia anche allo zero assoluto i costituenti microscopici non sono completamete fermi e a distanza nulla tra loro (come dovrebbe essere se effettivamente l’energia cinetica e potenziale raggiungesse il valore classicamente più basso possibile) altrimenti verrebbe violato il Principio di Indeterminazione.
Non esiste invece un valore superiore per la temperatura. Nessun argomento termodinamico impedisce di innalzare, almeno virtualmente, il contenuto energetico e quindi la temperatura, ad un qualunque valore positivo. Si potrebbe pensare che, contenendo l’universo un quantitativo finito, anche se enorme, di energia, allora se si usasse tutta l’energia dell’universo si raggiungerebbe comunque un valore finito di temperatura, anche se enorme. In realtà questo ragionamento non è corretto perchè la temperatura dipende dalla densità di energia, per cui se un quantitativo finito di energia viene concentrato in uno volume sufficientemente ristretto è possibile raggiungere qualunque valore di temperatura.
Naturalmente se un giorno venisse assodato che il volume ha un valore inferiore, al di sotto del quale non è possibile scendere (come risulta da alcune teorie, non ancora verificate sperimentalmente, che tentano di coniugare Meccanica Quantistica e Relatività Generale), allora un certo quantitativo finito di energia non potrebbe innalzare la temperatura di un certo volume oltre un certo limite. In tal caso l’energia di tutto l’universo concentrata in un unico volumetto elementare corrisponderebbe alla situazione creatasi nel Big Bang, e quindi considerare questo limite di temperatura come un limite superiore non avrebbe nessun significato particolare.
Infine c’è da tenere presente che, mentre il limite inferiore dello zero assoluto è un limite che dipende dalle leggi fisiche del nostro universo ma non da quanta energia o materia esso contenga (sarebbe uguale in un universo identico al nostro ma con un contenuto inferiore o superiore in energia), il limite superiore di cui abbiamo parlato prima è, in un certo senso, contingente, perchè evidentemente dipende dall’energia a disposizione.