Frage:
Warum ist der absolute Nullpunkt nicht erreichbar?
paracetamol
2016-10-13 23:04:41 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wir haben uns im Unterricht mit dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik befasst, und mein Lehrer erwähnte etwas, das uns sehr faszinierte:

Es ist physikalisch unmöglich, eine zu erreichen Temperatur von Null Kelvin (absoluter Nullpunkt).

Als wir ihn auf die Begründung drängten, bat er uns, uns die Grafik für Charles 'Gesetz für Gase anzusehen:

enter image description here

Sein Argument ist, dass bei einer Extrapolation des Graphen auf -273,15 Grad Celsius (dh null Kelvin) das Volumen sinkt bis auf Null ; und " da kein Stück Materie ein Volumen von Null einnehmen kann ('Materie' ist etwas, das Masse hat und Raum einnimmt), aus dem Diagramm für Charles 'Gesetz, ist es sehr klar, dass dies der Fall ist Es ist nicht möglich, die Temperatur von null Kelvin zu erreichen.

Jemand anderes gab mir jedoch eine andere Erklärung: "Die Temperatur eines Körpers auf null Kelvin zu senken, würde bedeuten, all die mit dem Körper verbundene Energie. Da Energie immer mit Masse verbunden ist, bleibt keine Masse mehr übrig, wenn die gesamte Energie entfernt wird. Daher ist es nicht möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen. "

Wer, wenn überhaupt, hat Recht?


Bearbeiten 1 : Ein notenwürdiger Punkt, den @Loong vor einiger Zeit gemacht hat:

(Aus Sicht des Ingenieurs) Um etwas auf null Kelvin abzukühlen, benötigen Sie zunächst etwas, das kühler als null Kelvin ist.

Bearbeiten 2 : Ich habe ein Problem mit dem Begriff "keine molekulare Bewegung", das ich anscheinend überall finde hier (einschließlich der fantastischen Antwort von @ Ivan), aber ich kann nicht geklärt werden.

Der Begriff:

Beim absoluten Nullpunkt hört jede molekulare Bewegung auf. Es gibt keine kinetische Energie mehr, die mit Molekülen / Atomen assoziiert ist.

Das Problem? Ich zitiere Feynman:

Wenn wir die Temperatur senken, nimmt die Schwingung ab und ab, bis bei absolutem Nullpunkt ein Minimum an Bewegung vorhanden ist, das Atome haben können, aber nicht Null.

Er begründet dies mit der Einführung des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips:

Denken Sie daran, dass die Atome beim Abkühlen auf einen absoluten Nullpunkt nicht aufhören, sich zu bewegen, sondern immer noch „wackeln“. . Warum? Wenn sie aufhören würden sich zu bewegen, würden wir wissen, wo sie waren und dass sie keine Bewegung hatten, und das ist gegen das Unsicherheitsprinzip. Wir können nicht wissen, wo sie sind und wie schnell sie sich bewegen, also müssen sie ständig dort herumwackeln!

Kann also jemand auch Feynmans Behauptung erklären? Für den nicht so eingefleischten Physikstudenten, den ich bin (Gymnasiast hier), scheint seine Argumentation ziemlich überzeugend.

Um es klar zu machen; Ich frage in dieser Frage nach zwei Dingen:

1) Welches Argument ist richtig? Die meines Lehrers oder des anderen?

2) Haben wir bei absoluter Null eine molekulare Bewegung von Null , wie die meisten Quellen angeben, oder gehen Atome weiter? "Wackeln", wie Feynman behauptet?

Beides ist völliger Unsinn. Absolute Null ** ist physikalisch ** möglich (aber nicht, dass wir es erreichen können).
Da Systeme nur logarithmisch vorgehen können, müsste man sich ernsthaft fragen, ob dies physikalisch möglich ist.
Beide Erklärungen sind falsch. (a) Es ist heutzutage durchaus möglich, Temperaturen im Millikelvin-Bereich zu erhalten. Dies geschieht, um thermisches Rauschen bei sehr empfindlichen Instrumenten zu entfernen. (b) Kurz gesagt, die Temperatur ist ein Maß für die Bewegungsenergie, Moleküle haben immer noch eine sogenannte Nullpunkt-Schwingungsenergie bei Null K und Kristalle haben Gitterbewegungen (Phononen), die ebenfalls Nullpunktsenergien haben, so dass es nicht wahr ist Die Gesamtenergie ist Null bei Null K. Atome haben immer noch die gleiche elektronische Energie wie bei Raumtemperatur.
Die Erklärung des Charles-Gesetzes ist sehr beliebt. Ich habe diese Erklärung in vielen Büchern gelesen, abgesehen davon, dass ich sie von meinen Lehrern gehört habe, und war sehr davon überzeugt. :(
Eine andere, die ich gehört habe: * Absoluter Nullpunkt ist unmöglich, weil er gegen das Unsicherheitsprinzip verstoßen würde. *
Ein anderer: "Es ist unmöglich, mit jedem noch so idealisierten Verfahren die Temperatur eines Systems in einer endlichen Anzahl endlicher Operationen auf Null zu senken." ([Wikipedia] (https://en.wikipedia.org/wiki/Third_law_of_thermodynamics#Absolute_zero))
@porphyrin Die Temperatur ist kein Maß für die Bewegungsenergie. Alles, was es ist, ist ein Verhältnis zwischen dU und dS bei konstanter V und N. So kann es in vielen exotischen Systemen [negativ] (https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_temperature) und in einigen (effektiv) sein sind zum Beispiel [ziemlich vertraut] geworden (https://en.wikipedia.org/wiki/Negative_temperature#Lasers). Sie können sich bei $ T = 0 $ perfekt bewegen. [Ein harmonischer Oszillator tut dies.] (Https://en.wikipedia.org/wiki/Coherent_states)
Ich denke, dass das, was ich geschrieben habe, im Kontext der Frage richtig ist, aber im Allgemeinen nicht vollständig. Die durchschnittliche Energie, Translation, Vibration, Rotation beträgt $ = k_BT / 2 $ für jeden 'quadratischen' Energieterm, wobei $ k_B $ die Boltzmann-Konstante ist. Dies setzt voraus, dass eine Boltzmann-Verteilung gilt, d. H. Dass jedes Energieniveau eine kleinere Population aufweist als das unmittelbar darunter liegende, und dass die Anzahl der Niveaus unendlich ist. Eine Populationsinversion wie im Laser oder in gepulsten Kernspin-NMR-Experimenten wird dann als negativ temperaturbeschrieben beschrieben, jedoch nur für diese Werte.
Acht antworten:
#1
+146
Ivan Neretin
2016-10-14 02:58:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

In meinen Tagen gab es eine Geschichte über einen physikalischen Chemiker, der gebeten wurde, einen Effekt zu erklären, der durch ein Poster an der Wand illustriert wurde. Er tat das, woraufhin jemand bemerkte, dass das Plakat kopfüber hing, so dass der Effekt im Vorzeichen umgekehrt erschien. Unerschrocken erklärte der Typ es sofort umgekehrt, genauso überzeugend wie beim ersten Mal.

Erklärungen vor Ort zu erfinden ist eine respektable Sportart, aber Ihr Lehrer ging etwas zu weit. Was ist mit dem Gesetz von Charles? Sehen Sie, es ist ein Gas Gesetz; Es geht um Gase. Und selbst dann ist es nur eine Annäherung. Um es genau zu machen, müssen Sie Ihr Gas ideal machen, was nicht möglich ist. Wenn Sie die Temperatur senken, werden alle Gase immer weniger ideal. Und dann kondensieren sie, und wir müssen uns mit Flüssigkeiten und Feststoffen befassen, für die das Gesetz nie gilt, auch nicht als sehr schlechte Annäherung. Die Berufung auf dieses Gesetz, wenn wir uns dem absoluten Nullpunkt nähern, ist ungefähr so ​​sinnvoll wie das Ausschließen bestimmter Reaktionsmechanismen, da sich Atome schneller bewegen müssen, als es die Geschwindigkeitsbegrenzung im Bundesstaat Hawaii zulässt.

Das Energieargument ist noch lächerlicher. Wir müssen nicht die gesamte Energie entfernen, sondern nur die kinetische Energie. Der $ E = mc ^ 2 $ -Teil bleibt dort, so dass die Masse niemals irgendwohin geht.

Abgesehen davon gibt es kein physikalisches Gesetz, das die Existenz von Materie bei absolutem Null verbietet. Es ist nicht so, dass seine Existenz dazu führen würde, dass die Welt mit dem Fehler 500 untergeht. Es ist nur so, dass je näher man ihr kommt, desto mehr Aufwand ist erforderlich, wie bei anderen idealen Dingen (ideales Vakuum, ideal reine Verbindung, Kristall ohne Defekte usw.) ). Wenn überhaupt, machen wir einen ziemlich anständigen Job. Mit ausgefeilten Techniken wie Laserkühlung oder magnetischer Verdunstungskühlung haben wir den Naturrekord bei Kälte längst übertroffen.

Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht. Diese Konversation wurde [in den Chat verschoben] (http://chat.stackexchange.com/rooms/46950/discussion-on-answer-by-ivan-neretin-why-is-absolute-zero-unattainable). Wenn jemand Inhalte von ihnen benötigt, um in die Antwort aufgenommen zu werden, kann ich diese nach Bedarf wiederherstellen oder Sie können sie aus dem Chatroom zurückkopieren.
Ähm, Ivan? Ich habe anscheinend ein kleines * Problem * mit dem Bit "Keine kinetische Energie". Könnten Sie sich die Frage noch einmal ansehen? (Ich habe es gerade bearbeitet)
Natürlich habe ich die Dinge sehr vereinfacht; Feynman auch. Zwar haben die Atome beim absoluten Nullpunkt noch eine gewisse Positionsunsicherheit, die aufgrund des Heisenbergschen Prinzips nicht weiter verringert werden kann. Ob es sich um eine Bewegung handelt oder nicht, ist eine philosophische (dh sinnlose) Frage.
@IvanNeretin Sechs Monate später wurde in "Nature Communications" ein [Artikel] (https://www.nature.com/articles/ncomms14538) von Personen der UCL veröffentlicht, die dies behaupten (gemäß [dieser Site] (https: //) futurism.com/its-official-cooling-absolute-zero-mathematically-impossible/)) "Sie können ein System nicht mit einer begrenzten Menge an Ressourcen auf den absoluten Nullpunkt abkühlen, und wir sind noch einen Schritt weiter gegangen ... das ist unmöglich kühle ein System in einer endlichen Zeit auf den absoluten Nullpunkt ... "Dies scheint mir in direktem Gegensatz zu deiner Antwort zu stehen, aber ich kann mich irren. Könnten Sie bitte etwas klarstellen? Vielen Dank!
Ich habe gerade gesagt, dass eine Angelegenheit mit dem absoluten Nullpunkt ** nicht durch physikalische Gesetze verboten ** ist; Ich habe nie gesagt, dass wir es erreichen können. Im Gegenteil, siehe _ "Je näher Sie ihm kommen, desto mehr Aufwand ist erforderlich" _ Teil?
@IvanNeretin Können Sie trennen, niemals etwas von einem physikalischen Gesetz tun zu können? Woher weiß man, dass etwas niemals getan werden kann, wenn man nicht aus anderen physikalischen Gesetzen argumentiert oder im Wesentlichen ein neues Gesetz entdeckt?
@LinearChristmas Warum, natürlich können wir. Ein ideales Vakuum ist wahrscheinlich das einfachste Beispiel. Oder stellen Sie sich einen 100% reinen NaCl-Kristall ohne Verunreinigungen oder Defekte vor. Nach allem, was wir wissen, würde es gut bestehen bleiben. Viel Glück beim Versuch, es im wirklichen Leben zu bekommen. Gleiches gilt für den absoluten Nullpunkt.
@IvanNeretin Sie haben über Unsicherheit in der Position gesprochen und gefragt, ob dies als Bewegung interpretiert werden kann, aber von tatsächlicher Relevanz ist die Unsicherheit in * Momentum *.Dies ist zweifellos ein Problem für die * Definition * einer bewegungslosen Substanz.Sie können nicht auf Null Kelvin kommen, da es keine Sache von Heisenberg ist, keine Bewegung zu haben.Und das wird in Ihrer Antwort überhaupt nicht angesprochen.
#2
+70
Cort Ammon
2016-10-14 02:07:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Absolute Null ist ein kniffliges Konzept, insbesondere wenn Sie erst einmal genau darüber informiert sind. Thermodynamik und Quantenmechanik ist ein kniffliges Geschäft! Ich werde versuchen, die genauen Teile zu vermeiden und zu sehen, ob ich Ihnen eine Antwort geben kann, die intuitiver ist als ein Stapel von Gleichungen.

Die erste Frage ist, was es bedeutet, "eine Temperatur von zu erreichen" Absoluter Nullpunkt." Wenn wir solche Dinge formulieren, denken wir normalerweise in Bezug auf die Gleichgewichtsthermodynamik. In diesem Zusammenhang interessieren uns Schüttgüter mit einer gleichmäßigen Temperatur. Wir können schnell erkennen, dass, wenn zwischen einem Objekt "am absoluten Nullpunkt" und einem Objekt, das nicht am absoluten Nullpunkt liegt, eine Wärmeübertragung stattfindet, das erste Objekt erwärmt wird, wenn Wärmeenergie vom wärmeren Objekt in das Objekt fließt. Dies bedeutet, dass unser Objekt bei absolutem Nullpunkt nur dort verbleiben kann, wenn es sich in thermischer Isolation befindet. Es ist kein Weg bekannt, dies zu tun (insbesondere wenn es um Strahlungsheizung geht), es sei denn, Ihr Objekt am absoluten Nullpunkt ist vollständig von anderen Objekten am absoluten Nullpunkt umgeben. Dies bildet eine Art Turm aus Babel, der schließlich fällt, wenn einige äußere Objekte der 3K-Hintergrundstrahlung ausgesetzt werden müssen. Der leere Raum ist "wärmer" als der absolute Nullpunkt.

Was ist, wenn wir die Welt der Nichtgleichgewichtsthermodynamik betrachten? Dies ist die Untersuchung von Systemen, die sich derzeit nicht im Gleichgewicht befinden. Dies ist ein seltsamer Ort, an dem einige Dinge auftreten können, die auf den ersten Blick keinen Sinn ergeben. Eine davon sind negative Temperaturen. Negative Temperaturen treten auf, weil Physiker die Temperatur definieren: $ \ frac {1} {T} = \ frac {\ text {Änderung der Entropie}} {\ text {Änderung der Energie}} $. Es ist leicht zu zeigen, dass es in Gleichgewichtssituationen (wie wir es gewohnt sind) unmöglich ist, eine negative Temperatur zu haben (es weist auch darauf hin, dass Sie einen undefinierten Wert in Ihrer Gleichung haben würden, wenn Sie jemals T = 0 setzen würden). In der Nichtgleichgewichtsthermodynamik können wir jedoch seltsame Verbindungen betrachten, die metastabil sind. Sie können sie sich wie einen Ball vorstellen, der perfekt auf einem glatten Hügel liegt. Wenn der Ball in eine Richtung geschlagen wird, rollt er den Hügel hinunter nach unten. Oben kann es jedoch theoretisch (vorübergehend) bewegungslos bleiben.

Wir haben Atome zu Fallen zusammengefasst und sie abgekühlt, bis sie sehr, sehr kalt waren (einige Milliardstel Kelvin). Dann betätigten wir einen Schalter, der die Falle umdrehte. Plötzlich wurde eine Position, die sehr stabil war, zu einem instabilen Gleichgewicht. Wenn Sie die Berechnung für diesen seltsamen Zustand durchführen, stellt sich heraus, dass dies eine negative Temperatur impliziert!

Nun würde dies darauf hindeuten, dass eine Temperatur, da sie von positiv nach negativ ging, 0 K überschritten haben muss, was beweist dass wir etwas am absoluten Nullpunkt geschaffen haben. Dies ist jedoch nicht der Fall. Was tatsächlich passiert, ist, dass die Temperatur in Richtung einer positiven Unendlichkeit steigt, eine Diskontinuität erreicht und sich dann in eine negative Unendlichkeit umwickelt. Es nähert sich dann seiner negativen Temperatur von der negativen Unendlichkeit. Selbst in diesem Fall können wir den absoluten Nullpunkt nicht erreichen.

Die Quantenmechanik wirft auch das Problem auf, dass Sie niemals beweisen könnten, dass Sie den absoluten Nullpunkt erreicht haben, wenn Sie es versucht haben. Wärmeenergie ist kinetische Energie, die mit dem Impuls zusammenhängt. Angenommen, Sie haben einen hypothetischen Ansatz gefunden, um den absoluten Nullpunkt zu erreichen. Wenn Sie Ihre Ergebnisse beweisen möchten, müssen Sie beweisen, dass der Impuls ebenfalls 0 ist. Indem Sie jedoch beweisen, dass das Fehlerprinzip fehlerfrei ist, können Sie nichts über die Position dieser Partikel wissen. Sie könnten irgendwo im Universum sein!

Gute Antwort! Vielen Dank für die Veröffentlichung und willkommen bei Chem.SE!
Ich würde es vorziehen, das Unsicherheitsargument wie folgt zu formulieren: In irgendeiner Weise zu beobachten, dass sich das Objekt an einem bestimmten Ort befindet, ist eine Interaktion, die ihm eine gewisse Dynamik verleiht, und nach dieser Interaktion besteht eine Wahrscheinlichkeit von 0%, dass sich das Objekt befindet Absoluter Nullpunkt. Es geht zusammen mit dem ersten Absatz. Selbst wenn wir theoretisch ein Objekt auf dem absoluten Nullpunkt haben, existiert es dort nur, solange es nie beobachtet oder mit ihm interagiert wird.
@hobbs Das stimmt. Ich war ein bisschen käfig in dieser Art, es zu formulieren. Da ich mit einem hypothetischen Ansatz beginne, um den absoluten Nullpunkt zu erreichen, wollte ich so nah wie möglich an den mathematischen Grenzwerten bleiben. Ich wollte die natürliche Lücke vermeiden, einen hypothetischen Messansatz zu entwickeln, der die Arbeit erledigen könnte.
@CortAmmon fair genug. Ich habe nur das Gefühl, dass "wenn Sie den Schwung perfekt kennen, dann könnte die Position überall sein!" Argument ist eines von denen, die mehr Verwirrung stiften, als es wert ist. Die Leute verstehen es nicht als mathematische Grenze für die möglichen Informationen, die aus allen möglichen Messungen gewonnen werden. Sie stellen sich alle möglichen mystischen Dinge vor :)
@hobbs Ja, aber die Quantenphysik basiert auf der Annahme, dass die Unsicherheitsrelation ein physikalisches Konzept ist und nicht nur eine Grenze unserer Messungen. In Wirklichkeit kann ein Teilchen wirklich keinen bestimmten Impuls haben. Wir können den Impuls nicht genauer messen, weil unsere Messungen fehlerhaft sind oder das Teilchen in irgendeiner Weise beeinflussen. Wir können ihn nicht messen, weil er einfach keinen bestimmten Impuls hat. Um eine Analogie zu verwenden, würde selbst Gott den genauen Impuls des Teilchens nicht kennen. Sogar Einstein hatte Probleme mit dieser Vorstellung und sagte berühmt: "Gott spielt nicht sterben".
Ich denke, Sie haben den Begriff "metastabil" missbraucht, was Sie beschreiben, ist höchst instabil. Es hat keinen Widerstand gegen Störungen. Ein metastabiler Zustand ist ein lokales Minimum an potentieller Energie, was Sie beschreiben, ist ein lokales Maximum, und ich glaube, es wird ein * Sattelpunkt * genannt.
@luk32 Ich nehme an, Sie könnten diese Unterscheidung treffen. Wenn Sie sich dem absoluten Nullpunkt nähern, werden genügend Grenzen gesetzt, damit der Unterschied an Bedeutung verliert. Man könnte leicht einen Sattelpunkt als die Grenze metastabiler Regionen definieren, wenn sich die Stabilitätsregion Null nähert. In der Realität wird es natürlich Unvollkommenheiten geben, die das System in dem von Ihnen erwähnten Sinne entweder instabil oder metastabil machen, wobei eine Unvollkommenheit eine lokale minimale Energie mit einem kleinen Stabilitätsbereich um sie herum erzeugt.
Dies sind Begriffe mit präzisen mathematischen Definitionen und physikalischer Interpretation. Ich denke nicht, dass die Anwendung wichtig ist. Ich weiß nicht, wie die möglichen Funktionen von Gasen in der Nähe von 0K aussehen. Vielleicht ist die Unterscheidung nicht wichtig, aber diese Begriffe verlieren nicht ihre Bedeutung. "Plötzlich wurde eine Position, die sehr stabil war, sehr metastabil." Was Sie hier beschreiben, ist das Ändern des Singens der potentiellen Funktion, so dass die Minima zu Maxima werden. Daher erzeugen Sie aus einem metastabilen Zustand ein instabiles Gleichgewicht (das ist der Name für ein lokales Maximum, d. h. den Sattelpunkt).
@luk32 Ich verstehe. Ich werde den Begriff ändern, um ihn an die Physik-Terminologie anzupassen. In der Elektrotechnik wird dieser Punkt als metastabiler Punkt bezeichnet und in der Philosophie als metastabil angesehen (siehe Buridans Arsch).
Ich kenne es aus der Quantenchemie und es stimmt mit dem 1. Bild hier überein: https://en.wikipedia.org/wiki/Metastability. Nach Ihrem Kommentar habe ich jedoch [Metastabilität in der Elektronik] (https://en.wikipedia.org/wiki/Metastability_in_electronics) überprüft, und der erste Satz fasst beide Zustände in "eine Tasche", sodass ich klar sehe, wo Sie sich befinden komme aus. Obwohl ich persönlich nicht glaube, dass sich ein reales System in einem instabilen Gleichgewichtszustand befinden kann, ist es einfach unmöglich, es vor Störungen zu bewahren. Ich bin gespannt, warum sich Elektronikingenieure dafür interessieren. Muss ich weiterlesen.
@luk32 Wir kümmern uns darum, weil Metastabilität für uns bedeutet, dass der Zustand eine unbestimmte Zeit andauert, bevor die Störungen die Spannung auf die eine oder andere Seite ziehen, und wir haben viele Schaltkreise, die sich schlecht verhalten, wenn sie in diesem halben Zustand belassen werden. Beispielsweise können Transistoren überhitzen, wenn sie sich in einem Verstärkungsbereich und nicht in einem Schaltbereich befinden. In der Chemie ist es vielleicht keine große Sache, 1000-mal so lange warten zu müssen, bis ein System irgendwann aus seinem instabilen Gleichgewicht gerät. Wenn Sie jedoch auf die Zeitvorgaben angewiesen sind, um Ihre Schaltung am Laufen zu halten, kann dies unangenehm sein.
Ok, es dauert so lange, bis man aus dem Gleichgewicht in einen tatsächlich stabilen Zustand fällt. Selbst wenn es instabil ist, ist es aus praktischen Gründen so gut wie metastabil. Vielen Dank für die Erklärung. Macht viel Sinn. Prost.
Das schrecklich benannte Prinzip der Unsicherheit besagt nicht, dass man nicht wissen kann, wo sich ein Teilchen im Universum auf dem Impuls Null befindet. Ich sage, dass das Teilchen in diesem Zustand über das gesamte Universum verteilt ist, bis es schließlich irgendwo im Universum kondensiert. Wenn ein Teilchen also WIRKLICH nahe an einen Impuls von Null gebracht wird, würde es praktisch weit weggehen. Natürlich lässt es Sie nicht über seinen Grundzustand hinaus quetschen, da Sie es nicht wirklich quetschen können, sondern bitten Sie es nur, durch freundliche Photonen-Abgesandte, die von Ihrem Laser erzeugt wurden, ein wenig weiter abzukühlen :)
Sie haben hier viele gute Punkte, aber Sie könnten darüber nachdenken, das Argument wieder auf die Hitze zu bringen. Ein System mit negativer Temperatur über die Entropiedefinition überträgt tatsächlich Wärme auf etwas bei 0 K.
#3
+15
Isobutane
2016-10-14 15:17:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Wenn man die Quantenmechanik beiseite lässt (es bereitet mir Kopfschmerzen), verhindert der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass in der Praxis der absolute Nullpunkt erreicht wird. Um etwas abzukühlen, muss seine Wärme auf etwas Kühleres übertragen werden. Da nichts kühler sein kann als der absolute Nullpunkt, kann man etwas nicht auf den absoluten Nullpunkt abkühlen.

Man kann sich bis nahe an $ 0 \ \ mathrm {K} $ schleichen und von seiner Quantenfantastizität erstaunt sein, aber wie Cort erklärte, machen Quanteneffekte das Konzept der Temperatur bei absolutem Nullpunkt ziemlich umständlich / p>

Die Erklärung Ihres Lehrers basiert, wie Ivan betont, auf dem idealen Gasgesetz, und es gibt kein ideales Gas, insbesondere nicht nahe am absoluten Nullpunkt.

Und lassen Sie uns nicht Vergessen Sie den Physiker, der in einen Bottich mit flüssigem Helium gefallen ist. Er ist jetzt 0K.

"Um etwas abzukühlen, muss seine Wärme auf etwas Kühleres übertragen werden als es" ist einfach falsch. Z.B. Der Gefrierschrank ist bei weitem das coolste Objekt in meiner Wohnung, aber es funktioniert problemlos.
@DmitryGrigoryev Auf Makroebene ja. In jeder physischen Phase bewegt sich die Wärme jedoch von heißer zu kälter. Was heißer und was kälter ist, wird durch Druck manipuliert. Es kann keinen kälteren als den absoluten Nullpunkt geben, egal wie viel Sie unter Druck setzen, drucklos machen oder auf andere Weise mit einer Substanz herumspielen. Per Definition ist die Temperatur am nächsten, so dass niemals ein Kühlkörper verfügbar ist, um abs 0 zu erreichen.
@WilliamKappler Heat muss sich nicht zu etwas Kälterem bewegen. Wenn Sie ein Gas ausdehnen, kühlt es ab. Ein Beispiel für einen anderen Effekt ist eine übliche Methode zum Erreichen von ~ 0,3 mK. Sie erzeugen ein Vakuum an flüssigem He3, wodurch einige verdampfen und die verbleibende flüssige He3 abkühlen. Es ist offensichtlich nicht der Fall, dass der einzige Weg, kälter zu werden, darin besteht, die Wärme auf etwas Kälteres zu verlagern, sonst würde ein Kühlschrank eine Art "Kältequelle" benötigen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Sie verwenden einen Kompressor, um das Kältemittel abzukühlen, ohne dass etwas Kälteres erforderlich ist.
@Matt Egal wie viel Sie etwas dekomprimieren, es behält genau die gleiche Wärmeenergie. Absoluter Nullpunkt hat * keine * Wärmeenergie. Sie könnten sich dem absoluten Nullpunkt nähern, aber Sie können ihn nicht erreichen, indem Sie mit Druck spielen. Und das ignoriert, dass Sie keine Gasphase (oder tatsächlich eine der 4 gemeinsamen Phasen) nahe der absoluten 0 haben werden.
@Matt Die Kältequelle des Kühlschranks ist der Raum, da die Temperatur des Kühlmittels durch Erhöhen des Drucks über Raumtemperatur erhöht werden kann. Sie können niemals eine relative Temperaturdifferenz erzeugen, die etwas auf den absoluten Nullpunkt abkühlt, der für die Wärmeübertragung erforderlich ist, es sei denn, Sie haben etwas unter dem absoluten Nullpunkt. Was nicht sinnvoll existiert.
@WilliamKappler Ich schlage nicht vor, mit einer der von mir beschriebenen Methoden auf den absoluten Nullpunkt zu gelangen. Ich bin nur anderer Meinung als Ihre Behauptung, dass der einzige Weg, etwas zu kühlen, darin besteht, Wärme von diesem Objekt zu etwas Kälterem fließen zu lassen. Ich habe dazu zwei praktische Beispiele gegeben, wie man etwas kühlen kann, ohne etwas Kälteres zu benötigen: 1) Gasexpansion, 2) Phasenwechsel. Dies sind zwei häufig verwendete Methoden zum Kühlen von Dingen. Wiederum, ohne zu sagen, dass sie Sie auf 0 K bringen, nur dass es sich um Kühlmethoden handelt, die nicht auf der Wärmeübertragung vom zu kühlenden Objekt auf etwas Kälteres beruhen.
@Matt Ich denke, Sie verpassen den ganzen Punkt des ersten Kommentars. Siehe: "Auf Makroebene ja. In jeder physischen Phase bewegt sich die Wärme jedoch von heißer zu kälter." Das heißt, Sie * brauchen heißer und kühler *, können diese jedoch innerhalb eines Systems so erzeugen, dass es den Anschein hat, als würden Sie Wärme von kälter zu heißer bewegen. Das bricht mit absoluter 0 zusammen.
Das kälteste Objekt im Universum ist die 3K-Hintergrundstrahlung. Ihr Argument impliziert, dass wir niemals etwas unter 3K abkühlen können, was eindeutig falsch ist.
Aber was ist mit einem perfekt kugelförmigen, reibungslosen Gas?
Die bisher kälteste gemessene Temperatur beträgt 0,006 K und dies in einem Kubikmeter Kupfer, was ziemlich viel ist. http://www.interactions.org/cms/?pid=1034217 Ich bin ziemlich begeistert von der Tatsache, dass sie in diesem Experiment antikes römisches Blei verwenden, um die Radioaktivität zu reduzieren.
#4
+8
yeoman
2016-10-15 16:46:34 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Die übliche Antwort ist, dass es nicht erreichbar ist, weil das absolute Vakuum nicht erreichbar ist, weil der Grundzustand der Raumzeit selbst eine Energie ungleich Null hat. Dieser gelegentlich kondensierende Grundzustand erzeugt die virtuellen Teilchen.

Abgesehen von diesem fundamentalen Grund dafür, dass das niedrigste Energieniveau der Raumzeit selbst ungleich Null ist, gibt es überall viele Neutrinos, die Sie können. ' schütze dich nicht wirklich davor. Eine massive galaxiengroße Goldkugel könnte dies bis zu einem gewissen Grad tun, aber leider kann man so etwas aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie nicht bauen (dh es würde lange vorher zu einem Schwarzen Loch werden).

Zahlen extrem nahe Null sind genauso schwer zu erreichen wie ihre Umkehrung, dh Dinge wie massive galaxiengroße goldene Kugeln. Selbst ohne den Grund, den ich zuerst angegeben habe, wäre dies immer noch unmöglich, da unser Universum voller Dinge ist.

Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht. Diese Konversation wurde [in den Chat verschoben] (http://chat.stackexchange.com/rooms/46885/discussion-on-answer-by-yeoman-why-is-absolute-zero-unattainable).
#5
+6
Andrei
2016-10-14 18:08:39 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Absoluter Nullpunkt kann definitiv existieren (siehe die spätere Bearbeitung), und es gibt mindestens eine Theorie, die besagt, dass absoluter Nullpunkt an einem Punkt die Norm im Universum sein wird.

Absoluter Nullpunkt kann nicht beobachtet werden. Beobachtung impliziert immer Interaktion. Absolute Null impliziert keinerlei Bewegung. Beobachtung bedeutet, dass Sie entweder ein Partikel vom beobachteten Objekt empfangen oder einige Partikel senden, die irgendwie zu Ihnen zurückkehren, oder Sie haben ein Gerät auf der anderen Seite und messen die Wechselwirkung Ihrer Partikel mit den anderen Partikeln. P. >

Wenn eine Position im Raum $ 0 \ \ mathrm {K} $ ist, bedeutet dies, dass sich nichts bewegt, sodass nichts von dort Sie erreichen kann, es sei denn:

Sie senden ein Partikel an eine Position in Raum, von dem Sie erwarten, dass er $ 0 \ \ mathrm {K} $ hat, aber wenn Ihr Partikel dort ist, wird der Raum nicht mehr $ 0 \ \ mathrm {K} $ haben, da er ein sich bewegendes Teilchen hat, das Sie gerade haben gesendet und am Ende werden Sie die Temperatur beobachten, die Sie gerade erzeugt haben.

Später bearbeiten: Ich nehme an, es hängt davon ab, wie Sie die Temperatur definieren. Wenn Sie bedenken, dass etwas existieren muss, damit es Temperatur hat, kann $ 0 \ \ mathrm {K} $ nicht existieren, da jede Schwankung in einem Feld bedeutet, dass etwas existiert und dass etwas eine Temperatur von mehr als $ 0 \ \ mathrm {K hat } $. Wenn Sie die Definition der Temperatur jedoch auf nicht vorhandene Objekte erweitern, sollte ein solches Objekt $ 0 \ \ mathrm {K} $

haben
Wie beim Unsicherheitsprinzip geht es hier nicht um Beobachtung, sondern um viel grundlegenderes.
@yeoman Wie ist Beobachtung nicht grundlegend und warum geht es nicht um Beobachtung?
In der Quantenmechanik ist ein Teilchen kein Punkt, der durch den Raum fliegt. Stattdessen ist es ein Blob in Raum-Zeit, der durch die Schrödinger / Dirac-Gleichung beschrieben wird. Der Blob kann entweder sehr stark auf eine bestimmte Position fokussiert sein, dann ist er implizit sehr verschwommen in Bezug auf seinen Impuls. Oder umgekehrt. oder etwas dazwischen. Es ist eine grundlegende Eigenschaft seines Zustands, also eine grundlegende Eigenschaft des Teilchens selbst, die mit oder ohne Messung existiert.
Einfach ausgedrückt, wenn etwas nicht messbar ist, kann es nicht existieren. Wenn Sie die genaue Position nicht messen können, ohne den Impuls zu stören, hat das Teilchen einfach keinen bestimmten Impuls. Es gibt keine versteckten Variablen, die einfach nicht gemessen werden können. Um es in eine Analogie zu bringen, selbst Gott würde den genauen Impuls nicht kennen.
@JannikPitt dann ist das ganze Konzept der Beobachtung für mich völlig weggeblasen. Wie kann man etwas ohne Interaktion beobachten? Beobachtung beinhaltet meiner Meinung nach eine Informationsübertragung. Eine Übertragung bedeutet, dass etwas, das früher irgendwo war, nicht mehr da ist, sondern an einer Position, von der aus die Informationen interpretiert werden können, damit der Mensch sie mit einem seiner Sinne lesen kann. Selbst wenn die Beobachtung das Objekt nicht aktiv verändert, muss sich das Objekt selbst verändern, damit andere es beobachten können. Das Objekt existiert jedoch imo immer noch, auch ohne Beobachtung.
#6
+6
ParaH2
2017-03-16 05:31:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Vor zwei Tagen wurde eine Veröffentlichung darüber veröffentlicht, dass es nun matematisch bewiesen ist, dass es unmöglich ist, Absolute Zero zu erreichen.

Das ist schwer zu lesen, aber das ist ein ernsthafter Beweis.

Die Publikation ist da

Lesen Sie gut!

#7
+5
MariusM
2016-10-14 11:55:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Absolute Null ist nicht erreichbar. Sie könnten es theoretisch nach den klassischen Gesetzen der Physik tun, aber es ist die Quantenmechanik (einschließlich der Quantenelektrodynamik), die verhindert, dass der absolute Nullpunkt erreicht wird. Nach diesen Gesetzen besteht die Möglichkeit, dass die Energie auch bei Null schwankt, was bedeutet, dass die Temperatur auch über Null schwankt. Und je niedriger die Temperatur, desto größer ist der Einfluss von Quanteneffekten. Spezielle Relativitätstheorie (Dinge wie $ E = mc ^ 2 $) spielt hier keine Rolle.

Wenn überhaupt, ist es die klassische Theorie, die uns daran hindert, den absoluten Nullpunkt zu erreichen, und die Quantentheorie gibt eine schwache Hoffnung, dass dies tatsächlich getan werden kann, wenn auch nur in einem begrenzten Sinne. Sehen Sie, wenn die Energie unendlich teilbar ist, können Sie die Hälfte der verbleibenden Wärme, dann die Hälfte des Restes, dann wieder die Hälfte des Restes und so weiter absaugen. Aber wenn die Energie in winzigen diskreten Teilen fließt, ist das eine andere Geschichte.
Das gilt für jede Temperatur, nicht nur für den absoluten Nullpunkt. Ein gegebener Temperaturwert ist genau aufgrund von Schwankungen nicht erreichbar.
Bitte nennen Sie den Grundzustand nicht "Nullpegel", wenn der springende Punkt ist, dass er eine Energie ungleich Null hat: D.
Dieses Argument macht keinen Sinn.Die Nullpunktsenergie eines QM-Systems ist sicherlich * endlich *, während wir jedes Objekt infinitesimal nahe Null K abkühlen können.
#8
-1
Li Zhi
2016-10-26 03:02:57 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Feynman ist richtig. Halte inne und denke einen Moment nach. Was bedeutet es, "am absoluten Nullpunkt" zu sein, wenn wir den Satz akzeptieren, dass der absolute Nullpunkt nicht erreichbar ist? Angenommen, der absolute Nullpunkt ist nicht erreichbar. Welche dieser Aussagen ist falscher: 1. Beim absoluten Nullpunkt gibt es keine Bewegung. oder 2. Beim absoluten Nullpunkt gibt es keine Masse. Beide sind gleichermaßen falsch; Da das Prädikat falsch ist, sind die Aussagen logischerweise bedeutungslos. (Was bedeutet, dass beide Aussagen auch gleichermaßen zutreffen. Aber obwohl # 1 oft verwendet wurde, würde ich # 2 sicher nicht verwenden, es sei denn, ich wollte mit faulen Früchten beworfen werden. # 1 ist "nah genug", um "nützlich" zu sein "(falls falsch) Erklärung, während # 2 keine physikalische Rechtfertigung hat.). Klassischerweise sind die Gesetze der Thermodynamik empirisch. Sie sind was sie sind, weil sie sind. Kein "Warum" da. Wir können sie jedoch aus der klassischen statistischen Mechanik (die viele Jahre nach der Annahme des 2. Gesetzes erfunden wurde) oder noch besser nach der Erfindung der Quantenmechanik (ab 1925) und ihrer Anwendung auf die statistische Mechanik ableiten. Die Temperatur ist eine Eigenschaft großer Populationen von Quantenteilchen, ein Atom hat keine (klassisch definierte) Temperatur. Um zu verstehen, warum diese Population keine Temperatur von 0 K haben kann, müssen wir verstehen, wie die Temperatur aus den quantenmechanischen Eigenschaften der Partikel abgeleitet wird, aus denen das System besteht. Das ist ein Semesterkurs im College und kein Einführungskurs! Wenn Sie Feynmans Erklärung verstehen, akzeptieren Sie sie (obwohl sie nicht perfekt ist - sie richtete sich schließlich an Studienanfänger ohne vorherige Exposition gegenüber der Quantenmechanik)

Ich bin mir nicht sicher, was Feynman hier bedeutet. Der niedrigste Quantenzustand eines endlichen Systems ist definitiv erreichbar. Zu diesem Zeitpunkt können wir dem System keine Energie mehr entziehen und haben keine thermodynamische Temperatur mehr. Natürlich ist jedes makroskopische Objekt im Hinblick auf eine genaue quantenmechanische Beschreibung praktisch unendlich.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 3.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
Loading...