Der absolute Nullpunkt

Die meisten von uns kennen die Celsius-Temperaturskala (Einheit °C). Neben der Celsius-Temperaturskala gibt es noch weitere Temperaturskalen. Die verwendete Temperaturskala in der physikalischen Chemie ist die Kelvin-Temperaturskala (Einheit K). Das besondere an dieser Skala ist der sogenannte absolute Nullpunkt, im Gegensatz zu anderen Temperaturskalen gibt es bei der Kelvin-Temperaturskala keinen negativen Temperaturwert

Der absolute Nullpunkt

Der absolute Nullpunkt ist der niedrigste Wert auf der Kelvin-Temperaturskala und hat gemäß Definition den Wert “0 K”. Dieser Wert entspricht auf der Celsius-Temperaturskala dem Wert -273,15°C. Am absoluten Nullpunkt, also 0 K, endet die Kelivin-Temperaturskala, es gibt keine negativen Temperaturen auf dieser absoluten Temperaturskala.

Gemäß den grundlegenden Gesetzen der Chemie und Physik kann kein Stoff diese Temperatur (den absoluten Nullpunkt) je erreichen. Dies lässt sich relativ einfach beweisen (je nach Jahrgangsstufe)

• Gemäß dem einfachen Teilchenmodell gilt, dass sich die kleinsten Teilchen (eines Stoffes) ständig mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegen. Je höher die Temperatur, desto schneller ist diese Teilchenbewegung. Im Rahmen dieses einfachen Modells entspricht die Temperatur einer thermischen Bewegung. Da es keine negative Bewegung (entweder gibt es eine Bewegung oder nicht) gibt, kann es somit auch keine negative absolute Temperatur geben (der niedrigste Wert ist daher 0 K).

• Das es keine negative absolute Temperatur gibt, lässt sich auch mit dem Gesetz von Gay-Lussac beweisen. Nach diesem Gesetz (das für Gase anwendbar ist) gilt, dass der Quotient aus Volumen und Temperatur immer eine Konstante ist (V : T = konst). Da es in der realen Welt kein negatives Volumen gibt, kann es auch keine negative absolute Temperatur geben. Es gibt daher einen untersten Temperaturwert (in der Kelvin-Skala).

• Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik kann der absolute Nullpunkt niemals erreicht werden, weswegen auch hierdurch gilt, dass es keinen negativen absoluten Nullpunkt gibt. Beweisen lässt sich dies über die Entropie

Daher gilt es auch keine negative absolute Temperatur.

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Der absolute Nullpunkt – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter dem absoluten Nullpunkt?

Der absolute Nullpunkt ist die niedrigste theoretisch mögliche Temperatur, bei der die Teilchenbewegung und somit die Wärmeenergie eines Systems ihr Minimum erreicht.

2. Wo liegt der absolute Nullpunkt auf der Celsius-Skala?

Der absolute Nullpunkt liegt bei -273,15 Grad Celsius.

3. Wie lautet der absolute Nullpunkt auf der Kelvin-Skala?

Auf der Kelvin-Skala liegt der absolute Nullpunkt bei 0 Kelvin.

4. Ist der absolute Nullpunkt in der Realität erreichbar?

Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ist der absolute Nullpunkt in der Realität nicht erreichbar.

5. Was passiert mit den Atomen bei Erreichen des absoluten Nullpunkts?

Bei Erreichen des absoluten Nullpunkts kommen die Atome nahezu zum Stillstand

.

6. Durch welches Gesetz oder Prinzip wird festgelegt, dass der absolute Nullpunkt nicht erreichbar ist?

Der absolute Nullpunkt ist durch den dritten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erreichbar.

7. Welche Rolle spielt der absolute Nullpunkt in der Quantenphysik?

In der Quantenphysik spielt der absolute Nullpunkt eine bedeutende Rolle, da hier das Phänomen des Quantenfluktuation auftritt.

8. Wie beeinflusst der absolute Nullpunkt die Entropie eines Systems?

Am absoluten Nullpunkt erreicht die Entropie eines perfekt geordneten Systems den minimalen Wert von 0.

9. Wie wirkt sich der absolute Nullpunkt auf die kinetische Energie von Atomen aus?

Am absoluten Nullpunkt würde die kinetische Energie, also die Bewegungsenergie, der Atome theoretisch auf Null sinken.

10. Was ist der Unterschied zwischen der Temperatur und der thermischen Energie am absoluten Nullpunkt?

Am absoluten Nullpunkt ist die Temperatur absolut null, aber die thermische Energie erreicht nicht unbedingt null aufgrund von Quanteneffekten wie der Nullpunktsenergie.