Benutzer:TDF/Dump

Der absolute Nullpunkt ist die kleinste mögliche Temperatur, −273,15 Grad Celsius, und definiert den Ursprung der absoluten Temperaturskala (0 Kelvin). Am absoluten Nullpunkt nimmt die Energie eines physikalischen Systems den kleinsten möglichen Wert an. Insbesondere ist in Systemen der klassischen Physik die kinetische Energie der Teilchen gleich Null. Die Bewegungen, Schwingungen und Verformungen der Moleküle eines Stoffs sind in dem Fall komplett eingefroren. In Systemen der quantenmechanischen Physik verbleibt im Allgemeinen ein Anteil kinetischer Energie aus der Nullpunktsenergie. Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik können reale Systeme den absoluten Nullpunkt nicht erreichen. Allerdings können Temperaturen beliebig nahe dem absoluten Nullpunkt realisiert werden. Mit Laserkühlung konnten Proben schon bis auf wenige Milliardstel Kelvin abgekühlt werden.

Geschichte

Guillaume Amontons fand 1699 heraus, dass sich das Volumen einer Gasmenge linear mit ihrer Temperatur verändert. Da das Volumen eines Gases aber nicht negativ werden sollte, folgerte er, dass es einen absoluten Nullpunkt geben müsse, bei dem das Volumen der Gasmenge gleich null wäre. Durch Extrapolation seiner Messwerte schätzte er die Lage dieses Nullpunkts ab und kam auf einen Wert von minus 248 Grad Celsius. Diese Methode muss jedoch sehr kritisch betrachtet werden, da die Gesetzmäßigkeit der Volumenverkleinerung nur für ideale Gase gilt, nicht aber für Stoffe, die ihren Aggregatzustand ändern, beispielsweise flüssig werden.

William Thomson, 1. Baron Kelvin, entdeckte 1848, dass nicht die Volumenverkleinerung für diese Frage entscheidend ist, sondern der Energieverlust. Hierbei ist es unerheblich, ob es sich um Gase oder feste Stoffe handelt. Thomson schlug daraufhin vor, eine neue, absolute Temperaturskala zu definieren, zu der die Volumenänderung proportional ist. Diese neue Temperaturskala hat keine negativen Werte mehr, beginnt bei null (dies entspricht minus 273,15 Grad Celsius, siehe dazu Eigenschaften der Kelvinskala) und steigt so an, dass ein Temperaturunterschied von einem Kelvin jeweils einem Temperaturunterschied von einem Grad Celsius entspricht. Diese gleiche Schrittweite wurde erreicht durch die Festlegung, dass das Kelvin der 273,16-te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers – dieser liegt bei 0,01 °C – ist. Die Einheit für diese Temperaturskala wurde zunächst Grad A (A für absolut) genannt, später K (K für Kelvin). Das Kelvin wird seit 1967 per Definition nicht mehr mit Grad (°) ergänzt.

„Wenn man jetzt das Magnetfeld plötzlich entfernt, so tritt der thermomagnetische Abkühlungseffekt ein. Auf diese Weise wurde mit Kaliumchromalaun eine Temperatur von 0,05 K erzielt. Im Jahre 1935 ist man sogar bereits zu 0,005 K vorgedrungen. […] Um den erreichten Fortschritt richtig zu beurteilen, müßte man eigentlich die logarithmische Temperaturskala, wie sie von Lord Kelvin vorgeschlagen worden ist, anwenden. Danach würde eine Senkung von 100 K auf 10 K dieselbe Bedeutung zukommen, wie […] von 1 K auf 0,1 K.“

– Heinrich Greinacher: Physik in Streifzügen. Verlag von Julius Springer, Berlin 1939.

Eigenschaften

Siehe auch: Tieftemperaturphysik

Physikalische Systeme mit Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt weisen einige besondere Verhaltensweisen wie Suprafluidität und Bose-Einstein-Kondensation auf. Diese Temperaturgebiete der Tieftemperaturphysik können nur noch mit besonderen Methoden erreicht werden.

Bei Normaldruck sind am Nullpunkt alle Elemente fest, abgesehen von Helium, das sich dort in einer flüssigen bzw. suprafluiden Phase befindet.

Thermodynamische Aussagen über den Nullpunkt im Zusammenhang mit der Entropie macht das Theorem von Nernst. Perfekte Kristalle erreichen beim Nullpunkt für die Entropie $S$ einen konstanten Wert $S=k_{\rm {B}}\ln 1=0$, da die Entropie gemäß der statistischen Definition als der mit der Boltzmannkonstanten $k_{\rm {B}}$ multiplizierte Logarithmus der Anzahl der möglichen Mikrozustände definiert ist und es nur eine mögliche Realisierung des beobachteten Makrozustands gibt. Bei (amorphen) Gläsern gibt es mehrere gleichenergetische Realisierungen eines Zustands mit $T=0\,{\rm {K}}$, so dass die Entropie von null verschieden ist.

Negative Absolute Temperatur

In der Theorie der Statistischen Physik wird an Stelle der Temperatur $T$ die inverse Temperatur $\beta ={\frac {1}{k_{\rm {B}}T}}$ zur Beschreibung von Systemzuständen verwendet. Der absolute Nullpunkt stellt dann den Grenzwert dar, wenn $\beta$ beliebig große Werte annimmt. Der Zustand $T=0$ ist in der Statistischen Physik schon im Ansatz nicht möglich, kann aber wie in realen System beliebig angenähert werden. Dafür erlaubt die Statistische Phzsik jedoch eine „unendliche“ Temperatur mit $\beta =0$ und negative Temperaturen mit $\beta <0$. Diese negativen Temperaturen sind allerdings nicht als Temperaturen unterhalb des absoluten Nullpunkts zu verstehen (insb. nicht $\beta >\infty$), sondern als Temperaturen oberhalb „unendlicher“ Temperatur ($\beta <0$).

... hier weiter ... Problem liegt im 1/x Verhalten, Boltmann Faktor zur Erklaerung, wie beta die Energie beeinflusst, Erlaeuterung varum beta <=0 daher nur bei nach oben begrenzten Energiespektren (nicht Phasenraum!) funktioniert, dann bestehenden Text anschliessen

Thermodynamische Systeme mit unbegrenztem Phasenraum können keine negativen Temperaturen erreichen. Wenn man allerdings den Zustand einer Besetzungsinversion beschreibt, der kein Zustand im thermodynamischen Gleichgewicht ist, treten negative absolute Temperaturen in der Rechnung auf, welche die Wahrscheinlichkeitsverteilung beschreibt. Solche negativen Temperaturen entsprechen dann energiereicheren (also in gewisser Weise heißeren) Zuständen.

Experimentell gelangen solche negativen Werte Münchner Forschern bei einem atomaren Gas, ihnen ist es gelungen, den absoluten Nullpunkt um Milliardstel zu unterschreiten. Um eine Inversion der Boltzmann-Verteilung zu erreichen, erhielten die Atome eines spezifischen Gases eine obere Grenze für ihre Energie.

Literatur

• Tom Shachtman: Minusgrade. Auf der Suche nach dem absoluten Nullpunkt (= rororo 6118 rororo Science. Sachbuch). Rowohlt-Taschenbuch-Verlag, Reinbek bei Hamburg 2001, ISBN 3-499-61118-X.
• Kurt Mendelssohn: Die Suche nach dem absoluten Nullpunkt. Kindler, München 1966.

Weblinks

Wiktionary: absoluter Nullpunkt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen