&Egrave possibile, applicando una carica elettrica (o un altro sistema) che interrompa il movimento delle particelle di un corpo, raffreddarlo?

No.

Molto grossolanamente: il calore di un corpo è l’energia cinetica totale delle sue particelle; se per assurdo qualcuno trovasse il modo di “frenarle” il freno stesso si riscalderebbe esattamente con l’energia sottratta al corpo caldo e questo per il primo principio della termodinamica.

Ma, se anche quanto sopra fosse fattibile e fosse accettabile che il freno si riscaldasse a spese del corpo, il secondo principio della termodinamica imporrebbe di scaricare il calore su una sorgente a temperatura minore. Bene, allora non servirebbero cariche elettriche o altri ingegnosi trabiccoli in quanto questo è già ciò che avviene spontaneamente. Se poi vogliamo raffreddare qualcosa e non disponiamo di qualcos’altro più freddo, sempre il secondo principio ci assicura che dobbiamo spendere lavoro e stabilisce chiaramente quanto.

Peraltro è oscuro come una carica elettrica possa “interrompere il movimento delle particelle”. Se, immagino, si pensasse a particelle cariche da “frenare” con carica uguale e respingente quanto basta a frenare, questa ipotesi assomiglia molto da vicino al diavoletto di Maxwell.

Maxwell immaginò due ampolle piene di gas e comunicanti tramite un rubinetto tenuto aperto abbastanza per portare le due ampolle in equilibrio. A un certo punto, un malizioso diavoletto si impadronisce del rubinetto e lo apre quando vede una molecola proveniente dall’ampolla A dirigersi verso l’ampolla B tenendolo, se no, ostinatamente chiuso. Bene è facile capire che, se il rubinetto è perfettamente lubrificato, il diavoletto, senza compiere alcun lavoro avrebbe trasferito gas da A a B (con la pressione di B in aumento). Il diavoletto potrebbe in altro esempio aprire il rubinetto quando una molecola veloce passa da A a B o una lenta da B a A trasferendo in questo modo energia termica da un corpo freddo a uno caldo sempre senza spendere lavoro. Insomma quasto diavoletto agirebbe in aperta contraddizione col secondo principio.

Bene, questo diavoletto non può funzionare per una serie di motivi, ma il più cogente di essi sta nel principio di indeterminazione di Heisenberg: il diavoletto, per poter agire, deve poter vedere la particella, e valutarne la sua velocità. A quasto scopo deve colpirla con almeno due fotoni che tentino di localizzarla. Bene per il principio di indeterminazione se sparerà fotoni ad alta energia avrà una buona informazione sulla posizione, ma pessima sulla velocità, viceversa, se bombarderà con fotoni deboli, sarà la posizione a essere molto approssimativa.

Quindi il diavoletto non può funzionare sia che apra il rubinetto, sia che freni le molecole (con campo elettrico o altro) in quanto in ogni caso dovrà vedere le molecole singolarmente e singolarmente misurarne la velocità e ciò è impossibile per il principio di indeterminazione.

Un’altro celebre “concorrente” del diavoletto è stata la “ruota con nottolino” di Feynman, una ruota cioe’ che potesse muoversi in una direzione sola e che quindi “linearizzasse” le spinte caotiche dell’agitazione termica, ma, anche in questo caso, la meccanica quantistica ha fatto giustizia. Trattazioni molto accurate si possono trovare facilmente su Internet cercando su Google “Feynman ratchet”.

Per raggiungere temperature molto prossime allo zero assoluto (frazioni di millesimo di °K) si è recentemento introdotto il “raffreddamento a laser” che funziona un po’ come un freno delle particelle in agitazione termica. Le particelle frenanti sono i fotoni del laser che colpiscono l’atomo da frenare solo se questo viene loro incontro con una certa velocità, mentre se scappa da esse non lo colpiscono. Ma non mi dilungo nella spiegazione che esiste già molto chiara con esempi interattivi e in movimento all’indirizzo:

http://www.mi.infn.it/~phys2000/bec/lascool1.html

e successivi.

Restano poi salvi tutti i metodi di raffreddamento classici: dall’evaporazione alla macchina frigorifera, alla cella di Peltier etc… ma questi operano in sintonia evidente col secondo principio della termodinamica.