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Warum ist der absolute Nullpunkt nicht erreichbar? Wo liegt der absolute Nullpunkt? Der absolute Nullpunkt lässt sich durch das Gesetz von Gay-Lussac ermitteln, welches besagt, dass das Volumen idealer Gase bei gleichbleibendem Druck und bei gleichbleibender Stoffmenge direkt proportional zur Temperatur ist.

Da ein negatives Volumen physikalisch nicht sinnvoll ist ergibt sich aus der Extrapolation dieses Gesetz der absolute Nullpunkt bei -273.15 °C.

Was ist Temperatur? Die Temperatur eines Objektes ergibt sich aus der Gesamtheit der ungeordneten Bewegung seiner Teilchen. Sie ist also abhängig von der Bewegungsenergie der Teilchen. Daraus ergibt sich, dass der absolute Nullpunkt theoretisch dann erreicht ist, wenn die Bewegungsenergie gleich null ist.

Hauptsätze der Thermodynamik Nullter Hauptsatz Es wird die Temperatur als physikalische Grundgröße eingeführt. Stehen jeweils zwei Systeme mit einem dritten im thermodynamischen Gleichgewicht, so stehen sie auch untereinander im Gleichgewicht. Dabei ist die Temperatur die Zustandsgröße, die bei diesen Systemen übereinstimmt. Erster Hauptsatz Die Energie eines abgeschlossenen Systems ist konstant. Zweiter Hauptsatz Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße in andere Energiearten umwandelbar. 1

Dritter Hauptsatz Es ist nicht möglich, ein System bis zum absoluten Nullpunkt abzukühlen.

Bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt wird die Entropie unabhängig von thermodynamischen Parametern und geht damit gegen einen festen Grenzwert. 𝑠0 = 𝑘 ⋅ ln(𝛺0 )

Über die Boltzmann-Konstante und die Zahl der möglichen Mikrozustände im Grundzustand lässt sich dieser Wert bestimmen.

Heisenbergsche Unschärferelation Zwei komplementäre Eigenschaften eines Teilchens können nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmt werden. Zum Beispiel ist es nicht möglich gleichzeitig den genauen Ort und den genauen Impuls eines Teilchens zu bestimmen.

Ungleichung nach Heisenberg für die Unschärfe in Ort und Impuls

Anhand dieser Formulierung erkennt man, dass das Produkt der Unschärfe aus Ort und Impuls einen bestimmten Wert nicht unterschreiten kann und dass wenn man die Unschärfe in einer Variablen minimiert sie in der anderen zunehmen muss.

Warum kann der absolute Nullpunkt also nicht erreicht werden? Betrachtet man nur die Definition der Temperatur könnte man also annehmen, dass der absolute Nullpunkt dann erreicht ist, wenn alle Teilchen im betrachteten System keine Bewegungsenergie mehr haben. Allerdings wäre es, wenn den Teilchen keine Bewegungsenergie mehr innewohnt, möglich sowohl ihren Ort als auch ihren Impuls genau zu bestimmen, was wie wir gesehen haben der Heisenbergschen Unschärferelation widerspricht. Und so ergibt sich eben auch nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ein Grenzwert für die Entropie eines Systems welcher nicht unterschritten werden kann. So kann der absolute Nullpunkt zwar nicht erreicht werden, aber man kann ihm beliebig nahekommen.

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Wie wird versucht dem absoluten Nullpunkt nahezukommen? Man hat es bisher geschafft mit kleinen Proben, bestehend aus einigen wenigen Teilchen, Temperaturen von einigen Nanokelvin zu erreichen. Größere Proben, die sich für praktische Anwendungen eignen, konnte man bisher auf ein Millikelvin abkühlen. Die Abkühlung bis zu diesem Punkt erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst kühlt man mit flüssigem Stickstoff auf 77 Kelvin. Daraufhin kann mit einer Kühlung durch flüssiges Helium 4 Kelvin erreichen. Um noch weiter abzukühlen werden die Heliumisotope Helium-3 und Helium-4 voneinander getrennt, wodurch Lösungswärme entzogen wird. Dadurch erreicht man einige Millikelvin. Um den Nanokelvin-Bereich zu erreichen verändert man mit Hilfe von Magnetfeldern die magnetische Ordnung der Probe (adiabatische Entmagnetisierung).

Welche Anwendungen ergeben sich dadurch? In der Grundlagenforschung ist es von Interesse die Eigenschaften der Materie bei sehr niedrigen Temperaturen zu untersuchen. So zeigt es sich z.B., dass manche Materialien bei tiefen Temperaturen widerstandsfrei elektrischen Strom leiten (Supraleiter). Und auch in Flugzeugen oder Radioteleskopen ist dieser Zweig der Forschung von Nutzen. Es werden Sensoren gekühlt, damit die ungeordnete Wärmebewegung der Teilchen nicht die Messungen stört. Ein anderes Beispiel aus dem Bereich der Elektrotechnik ist die Einzelelektronik. Hier forscht man an Schaltungen aus einzelnen Elektronen, die schneller und effizienter sind als Halbleiterschaltkreise. Diese funktionieren jedoch nur wenn die Elektronen durch Abkühlung vor Stößen anderer Teilchen geschützt sind.

Literaturangaben E. Clapeyron, Mémoire sur la puissance motrice de la chaleur, Journal de l'École Polytechnique. XIV, 1834, S. 153–90. Hans-Heinrich Möbius, Wolfgang Dürselen, Chemische Thermodynamik W. Heisenberg, Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik, Zeitschrift für Physik. Band 43, Nr. 3, 1927, S. 172–198 E. H. Kennard, Zur Quantenmechanik einfacher Bewegungstypen, Zeitschrift für Physik. Band 44, Nr. 4, 1927, S. 326–352 https://www.wissenschaft-im-dialog.de/projekte/wieso/artikel/beitrag/warum-kann-es-aufder-erde-niemals-kaelter-als-minus-274-grad-celsius-werden/ aufgerufen am 26.06.2019 https://de.wikipedia.org/wiki/Absoluter_Nullpunkt aufgerufen am 26.06.2019

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