Language
Country/Area
No result found
Das Geheimnis der Temperatur: Was ist der absolute Nullpunkt? Wissen Sie es?
Die Temperatur ist eine physikalische Größe, die quantitativ ausdrückt, wie heiß oder kalt ein Objekt ist. Normalerweise verwenden wir Thermometer zum Messen, und die Skala des Thermometers hängt von verschiedenen Temperaturstandards ab. Diese Standards enthalten verschiedene Referenzpunkte und Materialien zur Wärmemessung. Die am häufigsten verwendeten Temperaturskalen sind Celsius (°C), Fahrenheit (°F) und Kelvin (K). Kelvin wird darunter vor allem in der wissenschaftlichen Forschung verwendet und gilt als eine der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems. Der absolute Nullpunkt dieser Skala, null Kelvin oder −273,15 °C, ist der niedrigste Punkt auf der thermodynamischen Temperaturskala. Obwohl der absolute Nullpunkt experimentell nicht wirklich erreicht werden kann, können wir ihm doch sehr nahe kommen.
Am absoluten Nullpunkt ist in der Materie keine makroskopische thermische Energie mehr vorhanden, die quantenmechanische Nullpunktenergie ist jedoch noch vorhanden.
Die Bedeutung der Temperatur
Die Temperatur hat vielfältige Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Materie, wie etwa den Phasenwechsel (fest, flüssig, gasförmig oder Plasma), Dichte, Löslichkeit, Leitfähigkeit usw. Darüber hinaus wirkt sich die Temperatur direkt auf die Geschwindigkeit und das Ausmaß chemischer Reaktionen aus und hat sogar einen tiefgreifenden Einfluss auf das Verhalten aller lebenden Organismen. Beispielsweise ist die Schallgeschwindigkeit in einem Gas proportional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur.
Entwicklung der Temperaturskalen
Für eine Temperaturskala müssen zwei Werte definiert werden: der gewählte Nullpunkt und die Größe des Temperaturinkrements. Die Celsius-Skala (°C) ist die weltweit am häufigsten verwendete Temperaturskala, deren Nullpunkt durch den Gefrier- und Siedepunkt von Wasser bestimmt wird. In den Vereinigten Staaten hingegen ist die Fahrenheit-Skala weit verbreitet, deren Gefrierpunkt bei 32 ° liegt. F und einem Siedepunkt von 212 °F. Der Nullpunkt der Kelvinskala ist der absolute Nullpunkt.
Definition des absoluten Nullpunkts
Der absolute Nullpunkt ist ein Schlüsselkonzept in der Physik und kennzeichnet den Zustand der Materie, wenn thermische Energie vollständig entfernt wird. In diesem Zustand stellen die Materieteilchen ihre makroskopische Bewegung ein und gemäß dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik beträgt die thermodynamische Nettoenergie Null. Der Mensch kann Gegenstände nicht auf diese Temperatur abkühlen und kann ihre Grenzen nur so genau wie möglich ausloten.
Experimentell kann man sich dem absoluten Nullpunkt nur nähern, ihn aber nicht erreichen. Die niedrigste experimentelle Temperatur liegt bisher bei 38 pK.
Absolute und relative Temperaturstandards
Unter den Temperaturstandards gilt die Kelvin-Skala als absolute Skala, da sie nicht auf einer bestimmten Substanz oder einem bestimmten Instrument zur Wärmemessung basiert. Seit 2019 basiert die Definition von Kelvin auf mikroskopischen Phänomenen und ist mit der Boltzmann-Konstante verknüpft, die präzisere Temperaturmessungen ermöglicht.
Zusammenhang zwischen statistischer Mechanik und Thermodynamik
Die aktuelle Kelvin-Skala ist nicht mehr klar als Referenzstandard definiert, sondern basiert auf der Bestimmung der genauen Boltzmann-Konstante. Historisch gesehen basierte Kelvins Definition auf den thermodynamischen Eigenschaften der Carnot-Maschine und nicht auf einer mikroskopischen Beschreibung der Bewegung. Dadurch können wir einen universelleren Standard zur Beschreibung der Temperatur schaffen.
Klassische und moderne Messmethoden
Bisher wurde die Temperatur mithilfe empirischer Standards wie dem Tripelpunkt von Wasser (definiert als 273,16 K) gemessen, doch zunehmend stützte man sich dabei auf Statistiken und ein Verständnis der mikroskopischen Dynamik. Dies zeigt, dass die Temperatur nicht nur eine makroskopische Messung ist, sondern auch das Ergebnis mikroskopischen und quantenmechanischen Verhaltens ist.
Zukünftige Entwicklung
Durch weitere Forschungen in der Thermodynamik und statistischen Physik können Wissenschaftler möglicherweise präzisere Messungen erreichen. Beispielsweise ist die Verwendung des Molvolumens eines Gases oder des Spektrums der Schwarzkörperstrahlung zur Messung der Temperatur vielversprechende Forschungsrichtungen für die Zukunft.
Durch unser Verständnis des Quantenverhaltens sind wir in Zukunft möglicherweise in der Lage, den absoluten Nullpunkt besser zu verstehen und genauer zu messen.
Bei der Erforschung dieser faszinierenden wissenschaftlichen Phänomene kommen wir nicht umhin, uns zu fragen: Sind in dieser unerreichbaren Temperaturgrenze Naturgesetze und Geheimnisse des Universums verborgen, die wir noch nicht verstanden haben?
