4.6 Auf der Jagd nach dem absoluten Nullpunkt – der 3. Hauptsatz

Wärmelehre
3. Hauptsatz der
Wärmelehre
(engl. 3. Law of
thermodynamics):
Der absolute Nullpunkt
ist nicht erreichbar.
Man kann ihm aber
beliebig nahe kommen.
Trockeneis, festes CO2, wird
in der Nahrungsmittelindustrie
und für Nebelmaschinen
verwendet.
Auch manche Schnee­
kanonen sowie die Kühlung
von Schisprungschanzen
funktionieren mit flüssigem
Stickstoff.
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4.6 Auf der Jagd nach dem absoluten Nullpunkt
– der 3. Hauptsatz der Wärmelehre
Der absolute Nullpunkt (also 0 K) hat Physiker seit seiner Beschrei­
bung schon immer fasziniert. Bis heute ist es nicht gelungen, ihn zu er­
reichen. Auch rein theoretisch ist es aufgrund von Überlegungen hin­
sichtlich der Entropie zwar möglich, ihm beliebig nahe zu kommen, aber
unmöglich ihn exakt zu erreichen. Die Entropie würde unendlich groß
werden. Dies ist die Aussage des 3. Hauptsatzes der Wärmelehre, auch
Nernst’sches Theorem genannt.
Dass die sogenannte Tieftemperaturphysik heute trotzdem ein
wichti­ges Gebiet der physikalischen Forschung ist, hat gute
Gründe: Flüssige Gase, z. B. verflüssigtes Erdgas im Transport­
wesen, flüssiges H2 und O2 für Raketenantriebe und in der
Medizin sowie flüssiges Helium, um den elektrischen Wider­
stand von Stoffen völlig zum Verschwinden zu bringen (Supra­
leitung), und sehr starke Magnetfelder (z. B. in Teilchenbeschleu­
nigern) sind von großem wirtschaftlichen Interesse.
Der Effekt, der es ermöglicht, z. B. Helium so weit abzu­kühlen,
dass es flüssig wird, ist der Joule-Thomson-Effekt. Die Methode
besteht darin, dass ein Gas zunächst expandiert wird. Dadurch erhöht
sich der Abstand der Teilchen. Da bei realen Gasen Anziehungskräfte
zwischen den Teilchen wirken, muss zur Vergrößerung des Abstandes
eine Arbeit gegen diese Kräfte verrichtet werden. Dafür wird ein Teil der
kinetischen Energie der Teilchen aufgewendet. Wenn nun die kinetische
Energie der Teilchen dadurch kleiner wird, sinkt die Temperatur des
Gases. Damit kann man heute Helium auf Temperaturen bis unter 2 K
abkühlen.
Temperaturen bis zu 10–6 K können heute erreicht werden. Allerdings
gelingt dies bei Festkörpern nur mithilfe anderer Verfahren.
Das Linde-Verfahren (entwickelt von Carl von Linde, 1842–1934)
wendet diesen Effekt an. Das Gas wird dabei in einen Kolben angesaugt
und komprimiert. Die Wärme, die so entsteht, wird durch eine Wasser­
kühlung abgeführt. Danach wird das Gas durch ein Ventil expandiert,
wodurch es sich abkühlt, ein Teil verflüssigt sich. Der Rest durchläuft
den Prozess erneut.
merksatz m
Der absolute Nullpunkt ist nicht erreichbar. Mit­
hilfe des Joule-Thomson-Effekts (Abkühlung durch Ausdehnung)
können heute Gase verflüssigt und sehr tief abgekühlt werden.
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Das Linde-Verfahren
Physik 6
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