Absoluter Nullpunkt

Der absolute Nullpunkt (Formelzeichen T₀) ist die theoretisch tiefste mögliche Temperatur, die als 0 Kelvin definiert ist, was -273,15 Grad Celsius (zur ebenfalls viel gehörten Zahl -273,16 °C, siehe hier) oder -459,67 Grad Fahrenheit entspricht, aber nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik (Nernst-Theorem) niemals exakt erreicht werden kann. Andererseits ist es nach der Thermodynamik durchaus möglich, Temperaturen zu erreichen, die dem absoluten Nullpunkt beliebig nahe kommen. Mit Hilfe von Laserkühlung konnten Wissenschaftler schon kleine Proben bis auf wenige milliardstel Kelvin über den absoluten Nullpunkt abkühlen.

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Die Temperatur eines Körpers wird durch die Bewegungsenergie seiner Atome bzw. Moleküle hervorgerufen, welche in der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschrieben wird. Je schneller sich die Teilchen bewegen, desto höher ist die Temperatur des Körpers, und je langsamer sie sich bewegen, desto geringer ist demnach wiederum dessen Temperatur. Der absolute Nullpunkt ist erreicht, wenn die Bewegungsenergie aller Teilchen eines Körpers gleich der so genannten Nullpunktsenergie ist, die aus prinzipiellen quantenmechanischen Gründen nicht unterschritten und nicht aus dem System entfernt werden kann.

In der Nähe des absoluten Nullpunkts kommt es zu verschiedenen Effekten. Metalle zeigen Supraleitung und Helium sowie einige andere Gase zeigen ein Phänomen, das Suprafluidität genannt wird. Dabei kondensieren sie zu einer Flüssigkeit, die keine Viskosität besitzt. In der unmittelbaren Nähe des absoluten Nullpunkts zeigt Materie einen neuen Aggregatzustand, den des Bose-Einstein-Kondensats.

Der absolute Nullpunkt ist die Basis der Kelvin-Skala, wobei seine Existenz und sein extrapolierter Wert aus dem Gesetz von Gay-Lussac ableitbar sind.

Geschichte

Guillaume Amontons fand 1699 heraus, dass sich das Volumen einer Gasmenge linear mit ihrer Temperatur verändert. Das führte zunächst zu verschiedenen Hypothesen, wonach es einen absoluten Nullpunkt geben müsse, bei dem das Volumen der Gasmenge gleich Null wäre, oder die Gesetzmäßigkeit der Volumenverkleinerung gelte bei flüssigen Gasen nicht mehr. Dann könne man die Temperatur beliebig weit absenken. William Thomson, 1. Baron Kelvin entdeckte 1848, dass nicht die Volumenverkleinerung für diese Frage entscheidend ist, sondern der Energieverlust. Hierbei ist es auch unerheblich, ob es sich um Gase oder feste Stoffe handelt. William Thomson schlug vor, eine neue, absolute Temperaturskala zu definieren, zu der die Volumenänderung dann proportional ist. Diese hat keine negativen Werte, beginnt bei 0 (entspricht – 273,15 Grad Celsius) und steigt in Schritten zu je ein Grad Celsius an. Die Einheit für diese Temperaturskala wurde zunächst Grad A (A für absolut) genannt, später K (K für Kelvin).

Sonstiges

Das Kelvin ist per Definition seit 1967 nicht mehr mit Grad (°) ergänzt.

Literatur

• Tom Shachtman: Minusgrade - Auf der Suche nach dem absoluten Nullpunkt. Rowohlt, Reinbek 2001.