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

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11 Antworten

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

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Kommentar von Flordeliz
30.03.2016, 03:16

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*

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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.  

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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


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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 19:01

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

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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°

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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 19:05

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?

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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.

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Kommentar von DrugInformer
29.03.2016, 18:56

Absolut falsch, hör bitte auf solchen Quatsch zu erzählen!

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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!

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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 18:57

Welche Teilchen???

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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.)

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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 18:58

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

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Weil am abs. Nullpunkt keinerlei Teilchenbewegung mehr vorhanden ist.

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

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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 18:57

keinerlei Teilchen sagst du. Welche Teilchen?

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Weniger als keine Bewegung ergibt keinen Sinn. 

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

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Kommentar von Flordeliz
29.03.2016, 19:02

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

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

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