Frage von Flordeliz, 130

Warum ist beim absoluten Nullpunkt von −273,15 °C Schluss?

Wieso kann der absolute Nullpunkt nicht unterschritten werden? Also wieso nicht -290 °C oder -1500 °C ? Es gibt Millionen von Grade in Sonnen, also im plus Bereich. Wieso gibt es keine -Minus Millionen?
Kann mir das jemand mal plausibel erklären? Ich habe dazu gegoogelt, auch das sich angeblich keinerlei Bewegung mehr feststellen läßt. Laut Wiki ist im dritten Hauptsatz der Thermodynamik der absolute Nullpunkt eine ideale Messgröße. Aber warum geht es nicht weiter in den Minusbereich? Kann mir das mal jemand plausibel erklären bitte.

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von NutzlosAlpha, 43

Okay, also du hast ja schon eine Reihe Antworten bekommen, aber ich fühle mich genötigt, dass noch ein bisschen auszuführen, weil du eigentlich mehrere Punkte ansprichst.

Du gehst in deiner Frage zunächst von der Celsius-Temperaturskala aus, in welcher der absolute Nullpunkt bei -273,15 °C liegt. Diese Wahl dieser Skala ist allerdings absolut willkürlich, und damit natürlich auch ihre Eigenschaften (Fixpunkte und Skalenintervall).

Die Celsius-Skala hat ihre Fixpunkte bei 0 °C und 100 °C und ein Skalenintervall von (oberer Fixpunkt - unterer Fixpunkt)/100. Somit kommt das Skalenintervall von jeweils 1 °C zustande. Die Fixpunkte wurden willkürlich bei der Siede- und Gefriertemperatur von Wasser gesetzt.

Du könntest aber ebensogut auch die Fixpunkte oder das Skalenintervall beliebig verändern. Zum Beispiel könntest du die Schmelz- und Siedetemperaturen  von Eisen, Benzol, oder Dichlorheptoxid nehmen, oder auch die Kerntemperatur der Sonne oder sonstwelche Referenzpunkte, und beim Skalenintervall durch 34 teilen, oder durch das Alter deiner Großmutter, oder durch 349572. Das ist alles vollkommen willkürlich.

Bei der Celsiusskala wählte man die Siede- und Schmelztemperatur von Wasser und ebenso das Sakalenintervall schlicht aus praktischen Gründen.

Neben der Celsiusskala gibt es auch die Kelvinskala, deren unterer Fixpunkt beim absoluten Nullpunkt angesetzt ist, wodurch negative Temperaturen komplett vermieden werden. als oberer Fixpunkt dient der Tripelpunkt von Wasser (also dem Punkt, in dem alle Phasen des Wassers in thermodynamischen Gleichgewicht sind) und das Skalenintervall beträgt (oberer Fixpunkt - unterer Fixpunkt)/ 273,16.

Daneben gibt es es noch die Fahrenheitskala, welche vor allem noch in den USA in Gebrauch ist, und eine ganze Reihe weiterer Skalen, die heute weitgehend außer Gebrauch sind. Jedenfalls kann man auch beliebig andere (selbsterfundene) Skalen verwenden, mit denen dann auch Millionen Grad im Minus erreicht werden. An dem physikalischen Zustand ändert das aber nichts.

Temperatur ist im Prinzip die kinetische Energie der (untersuchten) Teilchen. Der untere Nullpunkt kann deswegen nicht erreicht werden, weil bei jeder Messung den Teilchen zwangsläufig Energie zugeführt wird. Das gilt im Übrigen auch für die Kühlung selbst. Der Nullpunkt selbst beschreibt einen Zustand, in dem die Teilchen gar keine kinetische Energie mehr haben. Wenn aber sowohl bei der Kühlung selbst, als auch bei der Messung die Teilchen immer noch Energie zugeführt bekommen, ist es eine logische Konsequenz, dass die Temperatur der Probe nicht den absoluten Nullpunkt erreicht hat. Deswegen ist es eine ideale Größe, die real nicht erreicht werden kann.

Unten wurde dir gesagt, Wärme sei Strahlung. Das ist so nicht richtig. Wärme ist die Energie, die zwischen zwei Stoffen mit unterschiedlicher Temperatur fließt. Wärme und Temperatur sind nicht dasselbe. Die Temperatur ist wie gesagt ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen in einem Objekt, wobei dies auch nur begrenzt richtig ist, da diesbezüglich noch weitere Faktoren eine Rolle spielen.

Wärme kann dabei über drei Wege übertragen werden: Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvektion. Jedoch ist hier auch die Doppelbedeutung des Begriffs Wärmestrahlung zu beachten. Zum einen bedeutet er schlicht die Übertragung von Wärme via Strahlung, unabhängig von der Strahlungsart, zum anderen ist er aber auch das Synonym von Infrarotstrahlung. 

Zu beachten ist noch, das Wärme selbst keine Energie ist, sondern der Fluss von Energie. Die Umgangssprachlichen Begriffe Wärme und Kälte haben nicht per se etwas mit dem physikalischen Begriff Wärme zu tun, sondern beschreiben ein bloßes Empfinden.

Du kannst das selbst testen, indem du drei Schalen mit sehr heißem, lauwarmen und eisigem Wasser nimmst, und linke und rechte Hand zuerst in das heiße und das Eiswasser und anschließend ins lauwarme Wasser tauchst. Du wirst feststellen, dass sich das lauwarme Wasser kühl für die heiße Hand, und heiß für die kalte Hand anfühlt.

Der menschliche Körper kann keine Temperaturen, sondern nur Temperatuunterschiede feststellen und ist dabei nicht objektiv. Der Begriff Kälte existiert in der Physik nicht, da er nicht objektiv ist, sondern eine Empfindung. Der physikalische Begriff Wärme existiert, weil er wie bereits gesagt einen Energiefluss beschreibt, unabhängig ob dies bei -250 °C oder Millionen °C geschieht.

Ich hoffe, das war aufschlusreich genug- Falls nicht -> fragen sind willkomen.

LG, NA

Kommentar von Flordeliz ,

Das war........sehr ausführlich. Das mußte ich 2x lesen um ehrlich zu bleiben :)

(Ich fand das mit dem Dichlorheptoxid toll :)

Aber Danke für deinen ausführlichen Exkurs. Ich wollte es natürlich verstehen. Physik ist nicht das was ich mit meinem geringen Wissen begreife, oder Teilchen und was die so machen und nicht machen.

Wenn ich das nun richtig verstanden habe ist der absolute Nullpunkt gar keine Temperatur, sondern nur ein Zustand bei dem keinerlei Energieaustausch mehr stattfinden kann? *facepalm*

Kommentar von NutzlosAlpha ,

Fast richtig. Der Nullpunkt ist keine Temperatur, sondern er hat eine Temperatur (nämlich 0 K oder -273,15 °C oder... (beliebige Skala)). Der Nullpunkt selbst beschreibt einen Zustand, in dem die Teilchen einer Probe keine kinetische Energie mehr besitzen (aus klassischer Sicht), sich also nicht bewegen.

Jedoch bewirkt jede Wechselwirkung den Austausch von Energie (das schließt die Kühlung der Probe mit ein), sodass alle Teilchen zumindest ein winziges bisschen kinetische Energie besitzen. Foglich kann der absolute Nullpunkt nicht erreicht werden, weil zwangsläufig immer noch ein Rest an Energie da ist.

Quantenmechanisch ist das noch eine Portion komplizierter, denn aus quantenmechanischer Sicht besitzt sowieso alles eine Grundenergie (sogar am Nullpunkt), aber das hier auszuführen, ginge vermutlich zu weit.

Der Nullpunkt bezieht sich daher auf klassische Teilchen (Atome, Moleküle usw.) Und bezieht sich auf deren Nichtbewegung.

Wenn ich das nun richtig verstanden habe ist der absolute Nullpunkt gar
keine Temperatur, sondern nur ein Zustand bei dem keinerlei
Energieaustausch mehr stattfinden kann? *facepalm*

Siehe oben. Wenn keine Temperatur mehr ausgetauscht werden kann heißt dies bloß, dass keine Wärme mehr fließt, sprich, beide Systeme haben bereits die gleiche Temperatur (es spielt aber keine Rolle, wie hoch oder niedrig diese ist).

Kommentar von Flordeliz ,

Wenn du mir nun sagst es ist keine kinetische (hab ich bei wiki mal nachgesehen) Energie mehr vorhanden. Dann würde das bedeuten das sich die klassischen Teilchen nicht mehr bewegen. Was ist aber dann mit den Teilchen die kleiner sind? Also Protonen, Elektronen oder die Quarks? Bewegen die sich auch nicht mehr?

Irgendwann muß doch mal Schluß sein? Oder gehts noch kleiner?

Kommentar von NutzlosAlpha ,

Wie gesagt, das mit der "Nichtbewegung" bezieht sich auf klassische Systeme. Protonen, Elektronen und co. sind nicht klassisch, sondern quantenmechanisch, und bewegen sich daher immer. Wobei bewegen hier eigentlich der falsche Begriff ist, korrekterweise müsste man den Begriff Ortsunschärfe verwenden.

Wenn du nämlich den Ort misst, erhöhst du den Impuls, und zwar umso mehr, je genauer du den Ort misst. Misst du den Impuls, weißt du nicht mehr, wo das Teilchen ist. Es ist dann praktisch überall.

Kommentar von Flordeliz ,

Dann habt ihr echte Probleme, ihr Physker *lach*. Danke für die Aus- und Entführung in die Quantenphysik.

Kommentar von NutzlosAlpha ,

Gerne geschehen und danke gleichfalls.

Antwort
von Hamburger02, 17

Das mit der Temperatur ist nicht so ganz einfach, wie man zunächst denkt.
Die Vorstellung, bei T = 0 K würde die Bewegung der Teilchen aufhören, trifft es zwar anfangs ganz gut, führt letztlich aber nicht zum Ziel.

Was ist Temperatur, was ist ein Thermometer?

Zunächst müssen wir die empirische Temperatur betrachten, was wir im Alltag auf dem Thermometer ablesen.
Da ist Temperatur laut 0. Hauptsatz so definiert:
"Zwei Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht mit einem dritten stehen auch untereinander im thermodynamischen Gleichgewicht."

Darauf basierend erfolgt die Temperaturmessung mittels eines Thermometers, das sozusagen das 3. System darstellt. Dabei ist zu beachten, dass das System Thermometer sehr klein gegenüber dem gemessenen System sein muss, damit sich bei der Enstellung des thermodynamischen Gleichgewichtes nur das Thermometer, nicht aber das System ändert.
Über einige Umwege erhält man daraus für ein Thermometer die Temperaturfunktion ϑ = f(p, v). Die Größe ϑ ist praktisch die Skala des Thermometers und gibt die Temperatur des Systems an.

Schon 1848 erkannte Sadi Carnot, dass man aus dem 2. HS eine absolute Temperatur, die thermodynamische Temperatur,  herleiten könnte, die unabhängig von den Eigenschaften des Systems sowie des Thermometers ist und über die Entropie definiert ist.

Für die Änderung der Entropie dS gilt laut 2.HS für ein geschlossenes ruhendes System:
dS = dQ(rev) / λ = 1/λ (dU + pdV - ydX)
dU ist die Änderung der inneren Energie
dQ(rev) ist die reversibel zugeführte Wärme
pdV ist die Volumenänderungsarbeit
ydX ist die Veränderung der Arbeitskoordinaten
λ ist die universelle Temperaturfunktion (Skala des absoluten Thermometers), die völlig unabhängig von den Eigenschaften des gemessenen Systems ist und aus dem Differentialausdruck dQ(rev) ein vollständiges Differential macht:

Aus der Kernaussage des 2. HS, dass die Entropie in einem geschlossenen System nur zunehmen kann: δS / δU > 0
folgt:
λ = λ(U, V, X) > 0

Fazit: die Definition der absoluten Temperatur über die Entropie führt zwangsläufig dazu, dass die absolute Temperatur nie negativ werden kann, da die Entropie immer nur zunehmen kann. Eine negative absolute Temperatur würde zu einer Abnahme der Entropie führen, was dem 2. HS widersprechen würde.

Walter Nernst hat 1906 im 3. HS (Nernstsches Wärmetheorem) festgestellt, dass bei diesem absoluten Nullpunkt die Änderung der Entropie gegen Null geht, sofern man das System nur gering verändert. Das hat dann letztlich doch damit zu tun, dass ein idealer Kristall vorausgesetzt wird, dessen thermische Energie gegen Null geht, da sich die Teilchen im Kristallgitter nicht mehr bewegen.
Dieser Punkt liegt bei T = 0 K.
Gleichzeitig wies Nernst nach, dass diese Temperatur tatsächlich nie erreicht werden kann, weil es in diesem Temperaturbereich ungeheuer aufwändig wäre, das letzte bischen Entropie aus dem System herauszukriegen. Das ist eine ähnliche Schwierigkeit, warum man letztlich auch kein absolutes Vakuum realistisch erreichen kann.

Um die absolute sowie die empirische Celsiusskala ineinander umrechnen zu können, wurde per Definition festgelegt, dass der Tripelpunkt des Wassers (0,01 °C) bei 273,16 K liegen soll, woraus sich zwangsläufig ergibt, dass der absolute Nullpunkt bei -273,15 K liegt.  

Antwort
von Mikromenzer, 56

Weil am abs. Nullpunkt keinerlei Teilchenbewegung mehr vorhanden ist.

Weniger als Stillstand geht nicht, es gibt keine negative Bewegung.

Kommentar von Flordeliz ,

keinerlei Teilchen sagst du. Welche Teilchen?

Kommentar von Mikromenzer ,

Jegliche Teilchen,

Atome, Elektronen, alles steht still.

Kommentar von Flordeliz ,

Also wenn es so kalt wäre stünde ich auch still. Ich friere schon wesentlich schneller. *hihi*

Kommentar von Mikromenzer ,

Mir reichen schon -20°C um absolut stillzustehen - meine absolute Temperatur.

Antwort
von LifeisagameCH, 60

Wärme ist eine Strahlung, sprich die Moleküle bewegen sich und dies misst man = Temperatur.

Kälte ist der IST zustand und bei -273,15° oder 0 Grad Kelvin erreichst du den Absoluten Nullpunkt in Bewegung. Also es gibt gar nichts mehr zu Messen


Kommentar von Flordeliz ,

Also dann wäre, wenn ich dich richtg verstehe, Wärme = Strahlung = Energie? Dann ist also Kälte nur eine Abwesenheit von Wärme?

Kommentar von LifeisagameCH ,

Korrekt - Der Urknall hat sämtliche Bewegung in Spiel gebracht die wir Heute noch sehen wie sie sich umwandelt.

Kommentar von Flordeliz ,

Aber wenn das korrekt ist, dann ist Kälte überhaupt keine messbare Größe. Oder bin ich da nun völlig auf dem falschen Dampfer? Sorry.

Kommentar von LifeisagameCH ,

Lass es mich dir einfach mit einem Kühlschrank/Klimagerät erklären:

Dieser Funktioniert auf einem Einfachen Prinzip: Flüssigkeiten die sich zu einem Gas wandeln Dehnen sich aus - Dies braucht Energie welche das Gas einfach der Umgebung entzieht. Wärme wird entzogen und für unser Verständnis wird es Kälter.

Im Weltall herrscht ja nicht der Absolute Nullpunkt, also selbst da Funktioniert dieses Prinzip.

Die Kältesten bekannten orte im Universum sind bei sich ausdehnenden Gasen, diese entziehen der Umgebung soviel Energie das es schon fast nahe dem Nullpunkt kommt -> Es "Friert" sich da sprichwörtlich fast an den Nullpunkt heran.

Kommentar von Flordeliz ,

Ok. Hab ich verstanden. Ich werde meinen Kühlschrank in Zukunft anders ansehen ;-) 

Danke für die Erklärung

Antwort
von priesterlein, 28

Weil die Menschen sich nicht vorstellen können, dass sie darunter noch irgend eine Differenz messen könnten: Aus ihrer Sicht bewegt sich nichts mehr und es macht für sie keinen Unterschied, wieviel mehr sich etwas nicht bewegt.

Kommentar von DrugInformer ,

Absolut falsch, hör bitte auf solchen Quatsch zu erzählen!

Kommentar von priesterlein ,

Gib dem Frager eine Antwort und höre auf, uneffektiv, unkonstruktiv und faktenlos zu trollen.

Antwort
von noname68, 23

sowohl die celsius- als auch die fahrenheit-temperaturen haben einen (eigentlich willkürlich gesetzten) punkt mit 0°. dabei ist celsius vom wasser ausgegangen und hat den gefrierpunkt genommen (sowie den siedepunkt 100°)

für hohe und höhere temperaturn bedarf es immer energie, aber wo keine ist, wird es kälter und bleibt eben bei diesem punkt stehen. man hätte genau so gut hier anfangen können und wir hätten dann im sommer rd. 290°

Kommentar von Flordeliz ,

Ok. Das klingt plausibel. Also ist es einfach nur so, für mich als Laien, zu verstehen das irgend jemand einfach bestimmt hat wir nehmen Temperatur X als Maßpunkt für Y. Und im Anschluß rechnen wir von da nach oben oder unten?

Kommentar von noname68 ,

ja, im grunde so richtig. weil das system von celsius "dichter am leben" ist (mit wasser als maßgebendes element),  ist es auch auf der welt weiter verbreitet, als das von fahrenheit.

Antwort
von InQuestion, 41

Weniger als nicht, kann sich nichts bewegen! Wärme ist auch nur Teilchenbewegung. Beim absoluten Nullpunkt bewegt sich kein Teilchen mehr. Mehr geht dann eben nicht!

Kommentar von Flordeliz ,

Welche Teilchen???

Antwort
von Umbranoctuna11, 32

Weil es volkommen egal ware ob es -279.15 oder -1500 sind. Das ergebnis ist das Gleiche, weil sich nichts mehr bewegt. Außerdem kann es eh nicht gemessen werden(wie den auch, wenn sich bei keinem messgerät noch etwas verändern würde.)

Kommentar von Flordeliz ,

Dann würde deine Antwort sein. Bis zum Stillstand von X, darüber hinaus wissen wir es nicht?

Kommentar von Umbranoctuna11 ,

Kann man so sagen. weniger als nichts gibt es nicht(oder lieg außerhalb von unserem Verständnis)

Kommentar von Flordeliz ,

Gut, das kann ich dann endlich mal verstehen ;-)

Antwort
von dompfeifer, 6

Weniger als keine Bewegung ergibt keinen Sinn. 

Antwort
von sogger30, 32

Weil dort einzelne Protonen etc. aufhören sich zu bewegen. (Daher absoluter nullpunkt)

Kommentar von Flordeliz ,

Nur die Protonen? Wenn ich die anderen hier lese, ist es alles, angeblich?

Antwort
von Accountowner08, 4

nein, es kann auch nicht unendlich heiss werden....

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