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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

82 Beiträge, Schlüsselwörter: Temperatur, Motor, Nullpunkt
der-Ferengi
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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 01:28
Ha, jetzt hab' ich's.
Aber natürlich gibt es auch negative Kelvin. Man verringert dabei nicht
die Temperatur (denn die kann ja nicht weiter verringert werden), son-
dern man verschiebt einfach die Skala.
10d9fc nullpunkt

Voilá, man hat negative kelvin


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 01:38
Geilo. Jetzt nenne noch kelvin in ferengi um und die Verwirrung ist perfekt.


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 04:23
Das ist wie ein negativer elektrischer Widerstand. Klingt erstmal spannend, ist aber eigentlich nix besonderes. Nur eine kleine mathematische Kuriosität.


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 08:53
@HYPATIA
Wobei man negative Widerstände nachbilden und damit auch nutzen kann!


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Bubba78
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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 09:03
Naja, bei diesem Experiment wurde nur das Einstein Bose Kondensat etwas umgedeutet.

Indem die Wissenschafter den Wirkungsraum des Kondensats, oder der überlagerten Materiewelle, mit Hilfe von Laserstrahlen begrenzten, erhöhten sie die Kondensationsdichte, die sie dann als erhöhte "Wärme" definierten.

Und tatsächlich könnte man aus solchen Zuständen Energie gewinnen, aber steckt man meinem Verständnis nach vorher hinein.

Modelhaft kann man sich das mit einem Druckluftbehälter vorstellen. Pumpt man Luft hinein, steigt innen die Dichte, weil das Gas nicht entweichen kann. Öffnet man ein Ventil, so kann man mit dem entweichenden kalten Gas Arbeit verrichten, wie mit Dampf einer Dampfmaschine!

Wunderlich erscheint das nur, weil sich manche nicht vorstellen können, wie eine Dampfmaschine ohne Hitze und Temperatur funktionieren soll?! Es funktioniert, indem man auch kalten Dampf oder Gas einfach in ein Druckbehälter füllt und Druck aufbaut.

Ähnliches ist bei dem Experiment auf atomarer Ebene umgesetzt worden.


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Heizenberch
ehemaliges Mitglied

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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

05.01.2013 um 10:43
@der-Ferengi
Wobei die negativen Temperaturen ja über den positiven sind - ist also nicht einfach verschoben.


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

06.01.2013 um 01:32
@abc997
abc997 schrieb:Oder anders gesagt, die Entropie nimmt mit der Erwärmung zu. Bei negativen Temperaturen nimmt diese dann mit der Erwärmung wieder ab. Vorraussetzung ich habe eine obere Grenze der Energie der einzelnen Teilchen.
Danke das Du Dich meiner angenommen hast ^^
(am 10. gibts in Garching ein Special dazu)


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 12:32
In dem Artikel steht ja das ein Wirkungsgrad über 100 prozent theoretisch möglich ist kann mir das jemand erklären.

Danke im Vorraus


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 13:13
Also erst mal ist klar, daß es Minus Kelvin nicht gibt. Wird in allen hier verlinkten Artikeln (und auch in weiteren) bestätigt. Es gibt real nur Werte oberhalb von Null Kelvin.

Ebenso richtig ist, daß Null Kelvin ein Grenzwert ist, der selbst nicht erreicht werden kann. Wie am anderen Ende der Skala "unendlich Kelvin" ebenfalls ein "Grenzwert" ist und keine erreichbare Größe.

Bisher dachte ich übrigens immer, daß die Wärme (Bewegung) der einzelnen Teilchen gleichmäßig um den Mittelwert (die Gesamttemperatur) des untersuchten Stoffes läge. Also bei graphischer Darstellung der Temperaturverteilung der Teilchen das Bild eines Gaußschen Hutes mit Krempe ergäbe. Daher war es mir neu, daß dem nicht so ist, sondern die Verteilung eher nach dem rechten Ast einer Parabel aussieht (wenn rechts Null Kelvin steht). Eigentlich logisch, da in der Tat die einzelnen Elemente eines Systems stets den niedrigsten Energiezustand einzunehmen "trachten". Andererseits gehe ich eben davon aus, daß in einem solchen System sich bewegender Teilchen es auch immer wieder zu Energieaustausch kommt, also wie auf dem Billardtisch Kugeln aneinanderprallen und ihre Bewegungsenergie hin und her "tauschen" bzw. "umverteilen". Das ist ein dynamisches System, wodurch es den "angestrebten Endzustand" eben nicht wirklich gibt. Müßte also doch eher auf nen Gaußschen Hut hinauslaufen.

Allerdings sind wir es gewohnt, die Temperatur wie auch die Geschwindigkeit graphisch linear darzustellen. Also 1kmh, 2kmh, 3kmh bzw. 1°K, 2°K, 3°K, und immer der gleiche Abstand auf der X-Achse zwischen diesen Werten. Auf diese Weise aber ist auf der einen Seite "unendlich Kelvin unerreichbar und nicht als "Punkt auf dem Strahl" darstellbar, "Null Kelvin" hingegen ein graphischer Punkt. Dürfte aber eigentlich nicht passieren, eigentlich müßte auch Null Kelvin so ein unerreichbares Ende des Stahles zur anderen Seite hin sein. Dazu müßte man aber die Temperaturlinie nicht linear gestalten, sondern logarithmisch.

Und mein Verdacht ist, daß auf einer logarithmischen Grafik die Temperaturverteilung der einzelnen Teilchen einer Gesamtmenge dann doch wieder einen Gaußschen Hut bilden. Ob es sich allerdings wirklich so verhält, oder ob selbst in solch einer Darstellung die Verteilung der Teilchen zum niederen Temperaturlevel stets zunimmt, vermag ich nicht zu sagen. Sollte letzteres der Fall sein, dann wäre es in der Tat quasi eine negative Kelvin-Temperatur, wenn die Teilchen einer Menge soundsoviel Grad Kelvin (plus) im Schnitt aufweisen, sich aber mehr Teilchen am oberen Temperaturlimit befinden als am unteren Temperaturende.

Aber ich habe meinen Zweifel, ob das Laborexperiment genau dies belegt hat. Denn eines ist mal klar, die Teilchen wurden a) zur Aufnahme von Energie (Bewegung) animiert, und zugleich wurde ihnen eine Obergrenze gesetzt, über die sie sich nicht hinaus erwärmen (bewegen) können. Das ist ungefähr so, als würde ich Wasser in einem Topf kochen, aber zugleich verhindern, sowohl daß es heißer wird als 100°C als auch, daß Wasser daraus verdampft, seinen Aggregatzustand verändert. Je mehr Energie ich da hinzuführe, desto mehr werde ich sämtliche Wassermoleküle dazu zwingen, sich den 100° zu nähern. Je länger ich das mache, desto mehr Teilchen werden an die 100°C heranreichen, desto weniger Teilchen werden sich weiter weg unterhalb dieser Temperatur befinden. Damit hätte ich genau dies, daß die Teilchen einer Gesamtmenge sich mehr zur Obergrenze des Temperaturspektrums hin aufhalten. Aber das habe ich energetisch und via Barrieren halt erzwungen, das zählt nicht. Minus-Kelvin wäre es erst, wenn das System diesem Zustand von selbst entgegenstreben würde. Und genau dieses Erzwingen lese ich auch bei dem Laborexperiment.

Just my 2 Pence...

Pertti


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 13:37
@perttivalkonen

Ob es - Kelvin gibt, hängt von der Definition der Temperatur ab. Definiert man sie mittels einer Verteilungsfunktion (wie in diesem Fall der Boltzmannverteilung), dann sind rein formal natürlich negative Temperaturen möglich, die allerdings nicht im Widerspruch zu anderen Definitionen stehen dürfen.
Stehen sie in diesem Falle auch nicht, da ein System mit negativer Temperatur nicht etwa negative Energie enthält, da die kinetische Energie eines Gases nicht unter 0 fallen kann.

so enthält ein System mit negativer Temperatur mehr Energie als ein System mit der gleichen postiven Temperatur. Zusammengefasst kommt der - scheinbare- Widerspruch aus unterschiedlichen Definitionen, die sich in der Thermodynamik aber widerspruchsfrei auflösen lassen.

Es bildet sich ja eben kein Gaußscher Hut, weil/ wenn das System mit einer Obergrenze versehen wird.
Das ist genau der Trick an diesem Experiment, das wirklich cool ist. Der Physiker an meiner Seite, der mir gerade so hilfreich vorsagt, meint: Maxwell- Gaußscher Hut.

Durch die Obergrenze können die Teilchen zwar Energie aufnehmen, sich aber nicht auf höhere Niveaus begeben als das maximale Niveau. Dadurch sammeln sich mehr Teilchen auf den höheren Niveaus, da die Energie ja irgendwo bleiben muss, als auf den unteren und die Verteilungsfunktion hat sich umgekehrt. Inversion mal anders ;)

Temperatur ist nicht automatisch mit Durchschnittsenergie verknüpft.
perttivalkonen schrieb:Je länger ich das mache, desto mehr Teilchen werden an die 100°C heranreichen, desto weniger Teilchen werden sich weiter weg unterhalb dieser Temperatur befinden.
Das ist so falsch ...
Temperatur ist eine Zustandsgröße, die das gesamte System beschreibt und nicht den Zustand einzelner Teilchen.

Ich habe es jetzt so halbwegs verstanden, dank des Physikers an meiner Seite, und klar ist auch, dass die Presse mal wieder etwas übertrieben hat, beim berichten, jedenfalls die Nicht- Fachpresse ...


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 13:43
Korrektur:
Auf der Max Planck Seite steht das mit den 100 % ebenfalls ... aber vermutlich ist das nur übertrieben ausgedrückt, wegen der Wirkung ... noch mal nachschauen ...
@grimm


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 14:18
Hallo @Resi_n
Resi_n schrieb:Ob es - Kelvin gibt, hängt von der Definition der Temperatur ab. Definiert man sie mittels einer Verteilungsfunktion (wie in diesem Fall der Boltzmannverteilung), dann sind rein formal natürlich negative Temperaturen möglich
Gewiß, auf einer graphischen Darstellung, bei der 0°K durch einen Punkt auf der Achse dargestellt wird, existiert ein graphischer Bereich jenseits der 0°K. Aber der ist keine Realität, sondern ein Artefakt der Art der graphischen Darstellung. Ebenso richtig ist, daß, hat man erst einmal solch ein Artefakt erzeugt, dann kann man auch rechnerisch diesen Bereich erreichen. Aber auch das ist dann nur ein Artefakt unserer Erfassung/Wiedergabe der Realität. So manch eine Aussage, diese oder jene Berechnung widerspräche nicht der hierfür aufgestellten Theorie (Du sprachst von Definitionen), könnte auf solch ein Artefakt beruhen, sodaß die implizite Folgerung der Aussage (diese Berechnung könnte also der Realität entsprechen, eben weil sie zur Theorie paßt, ihr nicht widerspricht, von ihr nicht ausgeschlossen wird) ein Trugschluß ist.
Resi_n schrieb:Es bildet sich ja eben kein Gaußscher Hut, weil/ wenn das System mit einer Obergrenze versehen wird.
Das ist genau der Trick an diesem Experiment
Erklär mir mal den Unterschied zu meinem Wasserkessel. Oder laß es den Physiker neben Dir das tun. Wo nicht, ist der Trick eben wirklich nur das: ein Trick, aber keine natürliche Verteilung. Die Erklärung, die Du im nächsten Abschnitt gegeben hast, ist jedenfalls die, die auch ich gegeben habe. Und die darauf hinaus läuft, daß das eben keine Simulation einer negativen absoluten Temperatur ist (die natürlich oberhalb von Null Kelvin läge, das ist schon klar), sondern ein "gebasteltes Diorama" davon.
Resi_n schrieb:Temperatur ist nicht automatisch mit Durchschnittsenergie verknüpft.
Ähm, die Temperatur eines Systems IST der Mittelwert der Temperaturen der einzelnen Elemente. Stand so auch in den Artikeln. Und wäre ein Ding, wenn nicht.
Resi_n schrieb:Das ist so falsch ...
Temperatur ist eine Zustandsgröße, die das gesamte System beschreibt und nicht den Zustand einzelner Teilchen.
Ähm, wenn ich eine Sache konstant mit Energie versorge, zugleich aber dafür sorge, daß 100°C nicht überschritten werden, frag ich mich, was wohl mit der zugefügten Energie passiert. Klar werden die Moleküle mehr und mehr gen 100°C gepusht!

Pertti


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 15:13
@perttivalkonen
Mal der Reihe nach ;)
Also
perttivalkonen schrieb:Gewiß, auf einer graphischen Darstellung, bei der 0°K durch einen Punkt auf der Achse dargestellt wird, existiert ein graphischer Bereich jenseits der 0°K. Aber der ist keine Realität, sondern ein Artefakt der Art der graphischen Darstellung. E
Das Problem besteht in der Vermischung zweier Definitionen, der Temperatur Die Definition über die kinetische Energie der Teilchen und über die Statistische Verteilung der Energie.

Die graphische Darstellung ist gar nicht der Punkt. Der springende Punkt ist die Definition dessen, was dargestellt wird. Wenn man Temperatur als Durchschnitt der kinetischen Energie definiert, und den Nullpunkt dahin legt, wo alles in Ruhe ist, dann ist eine negative Temperatur in der Tat eine sinnlose Angabe, da es in der Realität nichts gibt, was diesem Wert entsprechen könnte. Ruhiger als ruhig geht nicht.
Wenn ich allerdings Temperatur als Parameter definiere, der bestimmt, wie sich Teilchen auf Energieniveaus verteilen, dann kann eine negative durchaus einen Sinn bekommen.

Temperatur ist eben nicht der Durchschnitt der Temperaturen der einzelnen Teilchen, sonder ist nur für das gesamte System definiert. Die Teilchen werden nicht mit einer Temperatur von 100 °C versehen, sondern das gesamte system ist durch diesen Wert gekennzeichnet.
Was dieser Wert einem sagen soll, hängt von der Definition der Temperatur ab.
In einem "normalen" Wasserkessel mit 100 Verteilen sich die Energien entsprechend Boltzman. Also wenige Teilchen haben ganz viel Energie, viele Teilchen haben "wenig" Energie.
Wenn ich jetzt Energie zuführe, also die Temperatur erhöhe, ändert sich daran nichts, weil die Teilchen beliebig hohe Energien annehmen können. Es gibt nach obe keine Grenze. Entsprechend ändert sich nichts. Viele Teichen mit wenig Energie, wenig Teilchen mit viel Energie. Wobei es bei der Temperatur immer um einen Durchschnitt der Energien geht. Teilchen haben Energie, das System hat Temperatur.

In diesen Beispielen ist die Temperatur immer positiv, wie sie immer positiv ist, wenn viele Teilchen wenig Energie haben, und wenig Teilchen viel Energie.
Und nun die zentrale Frage, was passiert wenn viele Teilchen viel Energie haben und wenig Teilchen wenig Energie.
Dann muss sich in der Verteilungsfunktion was geändert haben. In der Formel hat sich ein Vorzeichen geändert um die Verteilung auf den Kopf zu stellen.
Die nächste Frage ist, wie soll das in einem Dampfkessel gehen ?
Antwort, in einem natürlich Dampfkessel geht das nicht, da die Höhe der Energiezustände nach oben nicht begrenzt ist. Wenn ich Energie zuführe, können die Teilchen immer auf höhere Zustände ausweichen.
Was passiert, wenn ich aber die Höhe der Zustände nach oben begrenze ?
Dann können die Teilchen nicht mehr auf höhere Zustände ausweichen.
Die Energie, die ich zugeführt habe muss aber irgendwo geblieben sein . Die Folge dieses Energiedeckels kann dann nur sein, dass es viele Teilchen mit viel Energie geben muss, und wenig mit wenig Energie, sonst gebe nie Summe aller Teilchenenergien nicht mehr die Energie, die ich in den Kessel reingesteckt hab. Ich hab die Verteilung damit auf den Kopf gestellt, und wenn die Temperatur die Verteilung der Energie beschreibt ist sie jetzt negativ.

Die Teilchen haben immer nur Energien und das System hat die Temperatur.
perttivalkonen schrieb:Ähm, wenn ich eine Sache konstant mit Energie versorge, zugleich aber dafür sorge, daß 100°C nicht überschritten werden, frag ich mich, was wohl mit der zugefügten Energie passiert. Klar werden die Moleküle mehr und mehr gen 100°C gepusht!
Es wird nicht dafür gesorgt, dass die Temperatur nicht über 100 steigt, sondern dass die die Teilchen eine Energieobergrenze nicht überschreiten können.

Teilchen haben nur Energie, das System hat die Temperatur.

Sorry für die wall of text, ... ich hoffe (ich=Resi_n), dass sie den "Denkfehler" erklärt, den ich selbst gemacht hatte ...

Edit: nur Rechtschreibfehler korrigiert ....


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 16:05
Ergibt sich dann nicht das Problem, dass das Material sich verändert und andere Eigenschaften annimmt, wenn ihm sozusagen zu viel Energie entzogen wird?


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 16:14
@yoyo
Früher oder später schon, "im Prinzip ja" aber das ist ein anderes Problem und hat mit dem Versuch hier nichts zu tun. Oder: Worauf möchtest du hinaus?


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 16:19
Bin ja kein Physiker, aber ich dachte mir halt, dass es vielleicht gar keine Werkstoffe gibt, die bei solchen Temperaturen noch angemessen und wie gehabt "funktionieren", weil die chemischen Elemente sich ändern (die einzelnen Elektronenschalen z. B. entsprechen ja Energieniveaus, wenn ich mich richtig erinnere). Insofern würde es auch nichts nützen, wenn solche Temperaturen möglich wären.


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 16:26
@yoyo
Äh ... Elemente ändern sich nicht durch Temperatur, auch wenn die hier sehr tief war, zugegeben. Um Elektronenschalen und ihre Energieniveaus geht es hier auch nicht, auch wenn's ähnlich klingt für dich.
Dieser Versuch ist arg kompliziert, wenn man nicht ein paar Grundlagen der Physik beherrscht - und doch, solche Temperaturen waren doch möglich. Das war es ja, und das ist ja so cool ... Ich kann dir hier aber keine Vorlesung halten und bin mal so dreist und empfehle die Wikipedia ;)


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Bubba78
ehemaliges Mitglied

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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 17:10
yoyo schrieb:Bin ja kein Physiker, aber ich dachte mir halt, dass es vielleicht gar keine Werkstoffe gibt, die bei solchen Temperaturen noch angemessen und wie gehabt "funktionieren", weil die chemischen Elemente sich ändern (die einzelnen Elektronenschalen z. B. entsprechen ja Energieniveaus, wenn ich mich richtig erinnere). Insofern würde es auch nichts nützen, wenn solche Temperaturen möglich wären.
Die Chemie wird sich sicher nicht ändern. Ändern tun sich stets die pyhsikalischen Eigenschaften, weil bei Tiefsttemperaturen sich zunehmend Quanteneigenschaften manifestieren und sichtbar werden. Siehe Supraleitfähigkeit, Suprafluidität oder atomare Überlagerung.


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 17:13
Das meinte ich auch. Mit raffiniert isolierten Kaliumatomen mögen solche Versuche möglich sein, aber bei chemischen Verbingungen, Legierungen, etc.?! Verhält sich ein Eisenatom noch wie ein Eisenatom, sozusagen?


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Temperatur unter dem absoluten Nullpunkt

07.01.2013 um 17:20
@yoyo
Gasförmige Kaliumatome, ... na, also ein Gas war es. Ein Eisenatom gilt nicht, aber ein Gas - und wenn du Eisen verdampfst, verhält es sich auch anders als festes Eisen. Es darf während des Versuchs halt nicht auskondensieren - oder versteh ich dich falsch?


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