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Absoluter Nullpunkt - von der Physikexpertin einfach erklärt

Absoluter Nullpunkt - aber von was eigentilch? In der Physik versteht man darunter den Temperaturnullpunkt, also die niedrigst mögliche Temperatur. Aber warum gibt es die überhaupt?

Kann man etwas beliebig kalt machen?
Kann man etwas beliebig kalt machen?

Absoluter Nullpunkt - das versteht die Physik darunter

Warum sollte es nicht möglich sein, einen Körper beliebig kalt zu machen, kann man ihn doch auch (nahezu) beliebig heiß machen? Mit dieser Frage haben sich Physiker schon seit Jahrhunderten auseinandergesetzt und eine eindeutige Antwort gefunden:

  • Unter dem (etwas abkürzenden) Begriff "absoluter Nullpunkt" wird in der Physik der Temperaturnullpunkt verstanden. Hierbei handelt es sich um die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann.
  • Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegung mikroskopischer Teilchen und wurde (ursprünglich) geschaffen, um die nur schlecht reproduzierbaren Empfindungen "heiß" bzw. "kalt" quantitativ zu erfassen.
  • In der kinetischen Gastheorie ließ sich die Temperatur eines Körpers dann als mittlere kinetische Energie der beteiligten Teilchen dieses Körpers deuten. 
  • Schon die Definition über die Energie zeigt, dass es einen Temperaturnullpunkt geben muss. Dieser wird dann eingenommen, wenn die Teilchen im klassischen Sinne zur Ruhe gekommen sind.
  • Temperaturnullpunkt ist per Definition bei 0 Kelvin (abgekürzt 0 K). Diese absolute Skala für die Temperatur wurde, dem Physiker Lord Kelvin zu Ehren, der sich mit thermodynamischen Sachverhalten beschäftigte, gewählt.
  • In der bekannten Celsius-Skala gilt die Umrechnung T = 0 K = -273,15 °C. 
  • Übrigens: Es gibt zahlreiche Verfahren und Spitzfindigkeiten, sich dem absoluten Nullpunkt zu nähern. Hierher gehört als klassische Variante die Kühlung nach dem Lindeverfahren (adiabatische Expansion; Stichwort: Luftverflüssigung). Teilchen in speziellen Fallen lassen sich heute beispielsweise mit der sog. Laserkühlung effektiv kühlen. Derzeit sind Temperaturen um 10-9 K, also Nanokelvin, erreichbar.

Kann man den Temperaturnullpunkt erreichen?

  • Das Arbeiten in der Nähe des absoluten Nullpunktes gehört in den Bereich der "Tieftemperaturphysik".
  • Vom Standpunkt des Alltags her müsste es möglich sein, dass ein absoluter Nullpunkt erreicht wird, denn er bedeutet ja nichts weiter, als dass der Körper keine (kinetische) Energie mehr besitzt, also alle Teilchen zur Ruhe gekommen sind.
  • Wie allerdings praktische Experimente zeigen, kann man sich der Temperatur 0 K zwar beliebig nähern, jede weitere Abkühlung bedeutet jedoch einen unverhältnismäßig größeren Aufwand, die Kühlung voranzutreiben.
  • Tatsächlich lässt sich mithilfe des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik (davon gleich mehr) beweisen, dass es mit einer endlichen Anzahl von Schritten nicht möglich ist, den Temperaturnullpunkt zu erreichen.
  • Dieser Hauptsatz macht letztendlich Aussagen über mögliche statistische Zustände von Systemen, die aus sehr vielen atomistisch kleinen Teilchen bestehen. So ist es in einem abgeschlossenen System nicht möglich, alle Teilchen gleichzeitig zur Ruhe zu bringen - es verbleibt eine sog. Nullpunktsenergie.
  • Eine ähnliche Überlegung liefert übrigens auch die Heisenbergsche Unschärferelation: Sperrt man atomistische Teilchen in ein endliches Volumen ein, so "reagieren" sie auf diese Einschränkung mit einer Bewegung, die nicht unter eine gewisse Grenze gedrückt werden kann. Ein klassisches Analogon zu dieser Unschärfe gibt es übrigens nicht.
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