Absoluter Nullpunkt

unterer Grenzwert der Temperaturen

Der absolute Nullpunkt ist die tiefstmögliche Temperatur, die nicht unterschritten werden kann. Er ist der Ursprung der thermodynamischen Temperaturskala und wird als 0 K festgelegt. Dies entspricht −273,15 °C.

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

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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 −248 °C.[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 −273,15 °C, siehe dazu Eigenschaften der Kelvinskala) und steigt so an, dass ein Temperaturunterschied von einem Kelvin jeweils einem Temperaturunterschied von einem Grad Celsius entspricht. Die Einheit für diese Temperaturskala wurde zunächst Grad A (A für absolut) genannt, später zunächst Grad Kelvin (°K) und dann Kelvin (K).

„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.

Die niedrigste im Universum jemals gemessene Temperatur wurde im Jahr 2018 im Bremer Fallturm der Universität Bremen erzeugt. Sie betrug für zwei Sekunden lediglich 38 Billionstel Grad Celsius über dem Absoluten Nullpunkt.[2]

Eigenschaften

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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

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In Systemen mit diskreten Energieniveaus nimmt die Besetzungswahrscheinlichkeit gemäß   (Boltzmann-Faktor) mit steigender Energie der Niveaus ab. Am absoluten Nullpunkt sind nur die niedrigstmöglichen Niveaus besetzt. Es ist aber experimentell gelungen, Zustände erzeugen, bei denen die höheren Energieniveaus stärker besetzt sind als die niedrigeren (Besetzungsinversion). Solchen Zuständen, die nicht im thermodynamischen Gleichgewicht sind, kann man formal eine negative Temperatur zuschreiben.

Literatur

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

Einzelnachweise

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  1. David Lindley: Degrees Kelvin: A Tale of Genius, Invention, and Tragedy. National Academies Press, 2004, S. 99 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Lotta Drügemöller: Die beste Schwerelosigkeit. In: Wochentaz, 24.2.-1.3.2024, S. 47.