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.
Inhaltsübersicht
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.
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.
Das heißt, der Grenzwert der Entropie für eine Temperatur, die sich dem absoluten Nullpunkt nähert, läuft gegen Null.
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.
Studyflix vernetzt: Hier ein Video aus einem anderen Bereich
Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik — häufigste Fragen
(ausklappen)
Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik — häufigste Fragen
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Was ist ein perfekter Eiskristall?Ein perfekter Eiskristall ist ein ideales, theoretisches Modell eines Festkörpers mit einer überall gleichmäßigen Gitterstruktur ohne Fehlerstellen oder Bruchkanten. In so einem Kristall hat jedes Teilchen die gleiche Umgebung und damit die gleichen Wechselwirkungen. Reale Stoffe weichen davon ab, weil beim Erstarren Unregelmäßigkeiten entstehen.
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Warum setzt man die Entropie bei 0 Kelvin auf Null fest?Man setzt die Entropie bei 0 Kelvin auf Null fest, weil man einen klaren Bezugszustand für Entropiewerte braucht, der sich praktisch nicht exakt einstellen lässt. Als Referenz wählt man den idealen Grenzfall eines perfekten Kristalls am absoluten Nullpunkt. Dadurch lassen sich Entropien sinnvoll als Unterschiede zu diesem Bezugspunkt angeben.
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Was bedeutet es im dritten Hauptsatz der Thermodynamik, dass man 0 Kelvin nicht erreichen kann?Die Aussage des dritten Hauptsatzes, dass man 0 Kelvin nicht erreichen kann, bedeutet, dass kein realer Abkühlprozess mit endlich vielen Einzelschritten exakt bis zum absoluten Nullpunkt führt. Man kann die Temperatur immer weiter senken, kommt aber nur beliebig nahe an 0 K heran. Jeder weitere Abkühlschritt bringt dabei weniger.
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Warum bleibt die Entropie bei echten Stoffen auch nahe am absoluten Nullpunkt größer als Null?Die Entropie bleibt bei echten Stoffen auch nahe am absoluten Nullpunkt größer als Null, weil reale Festkörper keine perfekte, fehlerfreie Gitterstruktur besitzen. Gitterfehler, Bruchstellen oder beim Einfrieren eingefrorene Unregelmäßigkeiten sorgen dafür, dass Teilchen unterschiedliche Umgebungen haben. Dadurch gibt es mehr mögliche Anordnungen und Schwingungsmöglichkeiten als im idealen Kristall.
Thermodynamik verstehen
Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik gehört zur Wärmelehre und ist ein zentrales Thema der Thermodynamik. Du ordnest in diesem Themenfeld Größen wie Temperatur, Wärme, Energie und Entropie ein. So verstehst du, wie sich Zustände von Stoffen ändern und warum natürliche Prozesse nur in eine bestimmte Richtung ablaufen. Weitere Videos dazu findest du in unserem Ingenieurwissenschaftenbereich.
