Gibt es negative Kelvin Themperaturen?
Wenn etwas 0° Kelvin kalt ist dann ist Schluss. Kälter geht es nicht. Aber gibt es etwas in dem Universum was noch kälter ist?
4 Antworten
Das hängt davon ab, wie man "Temperatur" definiert ;-)
Aber selbst bei negativen absoluten Temperaturwerten, wie sie in Systemen mit diskreten, nach oben beschränkten Energienvieaus auftreten können, würde Wärme vom dieser negativen Temperatur zu einem System positiver Temperatur fließen.
https://www.physicscentral.com/explore/action/negative-temperature.cfm
https://www.researchgate.net/post/Is_negative_temperature_possible
Bei "normalen" Stoffen ist die Energie nach oben nicht beschränkt und dieses exotische Varhalten tritt nicht auf: Dort gilt immer T>0 und die Entropie (das Maß der Unordnung) nimmt mit Energiezufuhr zu.
Ist die Thermodynamik nicht komisch? Ich habe bis heute nicht wirklich verstanden, was Temperatur eigentlich ist, obwohl ich diese formale Definition über das beta als Lagrange Multiplikator der mikrokanonischen Nebenbedingung natürlich kenne. Irgendwie beschleicht mich bei dem immer ein seltsames Gefühl in der Magengegend, da ich gewohnt bin, alles reduktionistisch zu betrachten, dies aber in der Thermodynamik versagt. Worin begrundet sich der 2. Hauptsatz? Ist das eine Konsequenz der Mathematik oder ein Naturgesetz, welches nicht weiter begründbar ist? Ach, wie dumm bin ich nur...
für mich ist der 2. hauptsatz im prinzip kein "naturgesetz", sondern eine rein statistische aussage. deshalb ist er ja so fundamental, denn was könnte fundamentaler sein als die mathematik? alles was man annehmen muss ist das fundamentale postulat dass alle mikrozustände die gleiche wahrscheinlichkeit haben (das ist quasi das "naturgesetz" dahinter), und dann ist der 2. hauptsatz einfach eine mathematische konsequenz. es gibt kein naturgesetz (wie z.B. energieerhaltung usw.) welches verbieten würde dass die wärme vom kälteren zum heißeren körper fließt. keines. das ist im prinzip völlig erlaubt. aber für makroskopsiche teilchenzahlen wird es einfach nicht passieren. niemals. nicht einmal in der geschichte des universums. das ist einfach die magie der (sehr) großen zahlen.
Nein. Schon die Formulierung bzw. Schreibweise 0° Kelvin ist falsch. Es heißt 0 Kelvin ohne Grad.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kelvin
Die Kelvin-Skala ist gegenüber dem Grad Celsius (°C) um exakt 273,15 K verschoben: Eine Temperatur von 0 °C entspricht 273,15 K; der absolute Nullpunkt liegt bei 0 K (= −273,15 °C). Der Zahlenwert eines Temperaturunterschieds in den beiden Einheiten Kelvin und Grad Celsius ist gleich.
Temperatur ist nur ein Maß für die Geschwindigkeit von Teilchen.
Bei 0 Kelvin haben wir absoluten Stillstand, deshalb wird dieser auch absoluter Nullpunkt genannt.
Negative Geschwindigkeiten gibt's allerdings nur in der Mathematik. Wenn etwas still steht kann es nicht noch stiller stehen. Daher ist 0 Kelvin die niedrigste Temperatur, da geringste Bewegung.
Aber was wenn sich die Teilchen rückwärts bewegen oder kleiner werden oder sowas?
Wer definiert den rückwärts? Nur von einem bestimmten Bezugspunkt aus gibt es minus Geschwindigkeit. Das heißt in der Theorie, auf dem Blatt, können wir minus Geschwindigkeiten errechnen und darstellen. In der echten Welt gibt es aber keine minus Geschwindigkeit. Das wäre wieder einfach nur Bewegung. Es gibt keine minus Bewegung.
Nein, das ist physikalisch unmöglich. Selbst die 0 Kelvin exakt zu erreichen ist theoretisch völlig unmöglich. Bei 0 Kelvin sind allle Atome und Teilchen völlig erstarrt und haben keinerlei Bewegung mehr. Sich weniger zu bewegen als sich gar nicht zu bewegen geht aber nicht.
Die Temperatur hat aber mit der Größe der Teilchen gar nichts zu tun. Was sich auf der Makroebene als Temperatur äußert, ist auf der Mikroebene der Durchschnitt aller Teilchen ihrer potenziellen und kinetischen Energie. Die kinetische Energie berechnet sich zu Ekin = 1/2 * m* v^2 und wenn v zu 0 wird, wird auch Ekin zu 0, egal wie groß m ist. Diese Betrachtung der Teilchen dient nur zur Plausibilisierung.
Dass die Temperatur nie 0 K erreichen kann, hat Walther Nernst mit seinem Wärmetheorem unter Verwendung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik gezeigt,
als ergänzung zu dieser korrekten antwort:
um zu verstehen warum negative (absolute) temperaturen heißer sind als welche mit positiver temperatur (in dem sinn das wärme immer vom heißeren zum kälteren system fließt), braucht man einfach nur einen parameter definieren als
beta=dS/dE
diese größe gibt an wie sehr sich die entropie ändert wenn man energie zu- oder abführt. da die gesamtenergie immer gleich bleibt, die gesamtentropie immer zunimmt wenn man zwei systeme in thermischen kontakt bringt, fließt die wärme also von jenem system mit kleinerem beta zu jenem mit größerem. weil we größer beta, umso größer die entropieänderung (positiv bei energiezufuhr, negativ bei energieabfuhr).
normalerweise ist beta>0, d.h. die entropie nimmt zu wenn man entropie zuführt. wenn allerdings, in sehr speziellen fällen, beta<0 ist, dann nimmt die entropie ab wenn man energie zuführt. das heißt wenn ich dieses system in kontakt bringe mit einem mit beta>0 dann ist völlig klar was passieren muss damit die entropie größer und nicht kleiner wird. wärme muss von jenem mit beta<0 zu jenem mit beta>0 fließen. also sind systeme mit beta<0 heißer als jedes it beta>0.
ganz einfache regel. je kleiner beta, umso heißer.
beta = +unendich --> ganz kalt
beta = -unendlich --> ganz heiß
beta = 0 ---> dazwischen
temperatur ist definiert als T=1/beta (vergessen wir mal die Boltzmannkonstante in SI einheiten). wir können also übersetzen
T = +0 (heiß 0 von oben angenähert) ---> ganz kalt
T = -0 (heißt 0 von unten angenähert) --> ganz heiß
T= unendlich --> dazwischen (nach +unendlich kommt -unendlich)
dass bei T=unendlich ein sprung zu -unendlich stattfindet liegt einfach nur daran dass die funktion 1/beta bei beta=0 eben ein polstelle hat. hätten wir nie "temperatur" eingeführt sondern würden immer nur über "beta" sprechen (worin exakt die gleiche information liegt), dann wäre es jedem intiuitiv klar dass negative "beta" heißer sind als positive. "selbstverständlich", würde jeder sagen.
erst durch die definition T=1/beta wird es unintuitiv dadurch dass plötzlich negative temperaturen heißer sind also positive.