Absoluter Nullpunkt
Der absolute Nullpunkt bezeichnet den unteren Grenzwert für die Temperatur, also die tiefstmögliche Temperatur, die nur theoretisch erreicht und nicht unterschritten werden kann. Dieser absolute Nullpunkt definiert den Ursprung der absoluten Temperaturskala und wird als 0 Kelvin festgelegt, das ist gleich −273,15 Grad Celsius.
Die Existenz und der Wert des absoluten Nullpunkts können aus verschiedenen Zusammenhängen extrapoliert bzw. plausibilisiert werden. Das erste Gesetz von Gay-Lussac beschreibt den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Volumen eines Gases – beim absoluten Nullpunkt wäre dieses Gasvolumen Null. Wenn man die thermische Energie, die sich auf die ungeordnete Bewegung der Teilchen in makroskopischer Materie bezieht, auf den niedrigsten möglichen Wert bringt, wo, anschaulich gesprochen, die Bewegung der Teilchen nicht mehr reduziert werden kann, ist man ebenfalls am absoluten Nullpunkt angelangt.
Nach dem Nernst-Theorem oder äquivalent dazu dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ist der absolute Nullpunkt nicht erreichbar; jedoch können reale Temperaturen unbegrenzt nahe dem absoluten Nullpunkt realisiert werden. Mit Laserkühlung konnten Proben schon bis auf wenige Milliardstel Kelvin abgekühlt werden.
Die Kelvin-Skala stellt eine Verhältnisskala dar. Andere Temperaturskalen beziehen sich auf einen willkürlich festgelegten Nullpunkt, wie die Celsius-Skala, deren Nullpunkt ursprünglich der Gefrierpunkt von Wasser war.
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.[1]
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.“
Eigenschaften
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 einen konstanten Wert , da die Entropie gemäß der statistischen Definition als der mit der Boltzmannkonstanten 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 , so dass die Entropie von null verschieden ist.
Werte unterhalb des absoluten Nullpunkts
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 K zu unterschreiten. Um eine Inversion der Boltzmann-Verteilung zu erreichen, erhielten die Atome eines spezifischen Gases eine obere Grenze für ihre Energie.[2]
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
Einzelnachweise
- David Lindley: Degrees Kelvin: A Tale of Genius, Invention, and Tragedy. National Academies Press, 2004, S. 99 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- Braun S. et al.: Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom. In: Science. 4. Januar 2013, abgerufen am 24. Februar 2021.