Thermodynamik

Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik

Du verstehst nicht ganz warum ein System nicht bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt werden kann? Dann bist du hier genau richtig! Wir erklären dir die Untersuchung der Entropie in der Nähe des absoluten Nullpunkts und somit den sogenannten dritten Hauptsatz der Thermodynamik.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik und der absolute Nullpunkt

Der dritte und letzte Hauptsatz der Thermodynamik – auch als Nernst Theorem bekannt – besagt, dass ein System nicht bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt werden kann.

Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
Temperatur im absoluten Nullpunkt

Am absoluten Nullpunkt, der einer Temperatur von 0 Kelvin beziehungsweise −273,15 °C entspricht, können keine Teilchen mehr schwingen.
Das ist aber nur für perfekte Eiskristalle gültig, die in ihrer gleichbleibenden und perfekten Gitterstruktur bis ins unendliche ausgedehnt sind. Dies ist allerdings nur eine theoretische Vorstellung. Denn wenn man zum Beispiel eine Flüssigkeit einfriert, friert sie oft so ein, wie sie im flüssigen Zustand auch vorliegt – meist wild durchmischt. Auch die Voraussetzung der unendlichen Ausdehnung kann nur theoretisch angenommen werden.

Und warum ist das so? Schauen wir uns doch mal eine Gitterstruktur an.

Sobald es einen Fehler oder eine Bruchstelle darin gibt, treten Unregelmäßigkeiten auf. Dies liegt daran, dass sich die Umgebung und damit auch die zwischenmolekularen Kräfte für manche Teilchen ändern. Teilchen 1 hat zum Beispiel eine andere Umgebung als Teilchen 2.

Entropie in der Nähe des absoluten Nullpunkts

Nun können wir differenzieren zwischen Orten mit niedriger Entropie und welchen mit höherer Entropie, also dort, wo die Unordnung größer ist und es folglich mehr Schwingungsmöglichkeiten gibt – in unserem Fall wäre das zu Beispiel Teilchen 2. Falls du jetzt nicht mehr im Kopf hast, was es mit der Entropie auf sich hat, dann schau dir doch kurz unser Video dazu an.

Demzufolge kann die Entropie nie wirklich Null sein.

\lim\limits_{T \to \ 0}\Delta S = 0

Das heißt, der Grenzwert der Entropie für eine Temperatur, die sich dem absoluten Nullpunkt nähert, läuft gegen Null.

Entropiewert am absoluten Nullpunkt
Entropie in der Nähe des absoluten Nullpunkts

Fassen wir das noch einmal kurz zusammen:

Es ist also nicht möglich durch einen Prozess mit einer endlichen Zahl von Einzelschritten die Temperatur eines Systems auf den absoluten Nullpunkt von 0 Kelvin zu senken. Man kann sich ihm beliebig nähern, ihn jedoch nie erreichen. Dadurch kann der absolute Entropiewert am Nullpunkt nicht exakt bestimmt werden.

Aus diesem Grund wurde einfach der Entropiewert 0 für den absoluten Nullpunkt bestimmt. Das hat den Vorteil, dass du dadurch Entropien durch Bezugszustände zu anderen Punkten messen kannst.

So, nun kennst du den dritten und letzten Hauptsatz der Thermodynamik.

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