Auswirkungen des Erreichens des absoluten Nullpunkts

Wie könnte die Wissenschaft/Menschheit die Fähigkeit nutzen, Materie auf 0 Kelvin zu bringen und auf 0 Kelvin zu halten?

Die Atome würden normalerweise gekühlt, nachdem ihnen eine endliche Menge "negativer Wärme" (durch Magie) gegeben wurde. Die "negative Wärme" würde nur für ein paar Grad Abkühlung ausreichen, würde aber dazu dienen, die Temperatur unabhängig von den Anfangsbedingungen um einen beliebigen Betrag zu senken.

Diese "negative Wärme" würde sich mit thermischer Energie vernichten, wäre aber nicht in der Lage, Temperaturen unter Null zu senken oder auf andere Atome zu übertragen.

Ich würde empfehlen, das wissenschaftlich fundierte Tag zu entfernen. Sie verletzen bereits die Thermodynamik, indem Sie behaupten, dass wir den absoluten Nullpunkt erreichen können; wir können uns ihm nur asymptotisch nähern.
@HDE226868 Wenn sie eine wissenschaftlich fundierte Antwort wünschen, sollte das Tag bleiben. Vielleicht sollte die Antwort, wie Sie sagen, "Sie können es nicht tun" lauten, aber die wissenschaftlich fundierten/hard-science-Tags sollten basierend auf der Absicht des Fragestellers verwendet werden.
Zur eigentlichen Frage: Dies beantwortet Ihre Frage nicht genau, enthält jedoch einige Links und ist ein Ausgangspunkt für Absolute Zero: physical.stackexchange.com/questions/48615/…
@NexTerren Ja, aber es ist schwer zu rechtfertigen, die Gesetze der Thermodynamik zu verwenden, um eine Frage zu beantworten, wenn Sie bereits eine davon gebrochen haben. Das ist mein allgemeiner Einwand gegen die Verwendung des Tags in einer solchen Situation. Außerdem gibt es viele Fälle, in denen wissenschaftsbasierte + Magie einfach nicht funktioniert.
@ HDE226868 Vielleicht sollte ich dann die Frage entfernen und / oder mehr Hintergrund hinzufügen? Meine Prämisse war, dass einem System "vorübergehend" Wärme zugeführt werden könnte und dass sie im Laufe der Zeit aus dem beobachtbaren Universum "austreten" würde. Ich dachte, es wäre unmöglich, unter 0 zu gehen, also würde das "Energieleck" bleiben und jede Energie fressen, auf die es stößt, wenn Sie "vorübergehende Wärme" hinzufügen und das Zeug dann auf nahe Null abkühlen, bevor es wieder "ausläuft". .. was diese Frage aufwirft.
@ HDE226868 das ist wie Schrödingers Katze, ist es wahrscheinlich nicht möglich, ist es nützlich, würde ich mit Ja antworten. Magie ist also eine „Was-wäre-wenn“-Bedingung, und sie braucht definitiv mehr als nur alle Atome zu stoppen, sie muss auch Fluktuationen entfernen oder kompensieren, sie vor allem, was wir wissen und nicht wissen, abschirmen, Quantengesetze, wie wir sie jetzt kennen, modifizieren oder beeinflussen – gut genug, um es magisch zu nennen, unmöglich, da bin ich mir nicht sicher. Eine der Hypothesen eines möglichen Todes des Universums - wo ein solcher Zustand oder etwas Ähnliches existieren könnte und jeder Außenstehende eine umgekehrte Situation haben wird.

Antworten (7)

Nun, schauen wir uns den relevanten Teil der Grundgleichung der Thermodynamik an:

d E = T d S + ( Begriffe irrelevant für diese Frage )
Hier δ Q = T d S ist die Wärmeenergie, die in das System ein- oder ausgeht. Offensichtlich, wenn T = 0 , Die δ Q = 0 . Mit anderen Worten, Sie können Entropie hineingeben ( d S > 0 ) ohne es zu erhitzen ( δ Q = 0 ).

Das impliziert, dass man damit ein Perpetuum Mobile der zweiten Art (PM2) bauen könnte: Man entzieht der Umgebung Wärme („entropische Energie“), schüttet ihre Entropie in das Nulltemperaturobjekt und setzt die Energie in Arbeit um .

In der Tat, wenn Sie sich die Carnot-Effizienz ansehen,

η C = T H − T C T H
was der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist, und einfügen T C = 0 , du erhältst η C = 1 , also perfekte Effizienz, auch bekannt als PM2.

Allerdings gibt es natürlich einen Vorbehalt: Die Carnot-Effizienz kann nur für unendlich langsame Prozesse erreicht werden. Allerdings gibt es auch eine Formel für den Wirkungsgrad bei maximaler Leistung, den Curzon-Ahlborn-Wirkungsgrad:

η C EIN = 1 − T C T H
Nun, wenn Sie einfügen T C = 0 , erhalten Sie wieder η C EIN = 1 . Das heißt, bei absoluter Nulltemperatur kann man tatsächlich einen Wirkungsgrad von erreichen 1 bei maximaler Leistung. Das heißt, Sie können eine PM2 bauen, die tatsächlich Energie abgibt!

Beachte das auch T d S = 0 bedeutet auch, dass reversible Prozesse ein Nulltemperaturobjekt nicht aufheizen können, also würde es bei Null bleiben. Natürlich sagt diese Gleichung nichts über irreversible Prozesse aus (sie gilt streng nur für reversible), so dass eine irreversible Erwärmung immer noch möglich sein könnte.

Wenn Sie jetzt tiefer graben, würde ich erwarten, früher oder später einen Widerspruch zu finden. Schließlich gibt es einen Grund, warum die Thermodynamik das sagt T = 0 kann nicht erreicht werden.

Ja, alles ist gut, aber niemand hat gesagt, dass "Magie" kostenlos ist. OP hat nicht angegeben, dass es sich um ein dauerhaft 0K-Objekt mit unbestimmter Wärmekapazität oder Entropiekapazität handelt. Das heißt - ich folge Ihrer Logik nicht als Antwort.
Ich habe nur die Grundgleichungen der Thermodynamik angewendet (mit Ausnahme der Gesetze, die besagen, dass der absolute Nullpunkt offensichtlich nicht erreicht werden kann). Die Eigenschaften von 0K-Objekten, die ich beschrieben habe, folgen aus diesen Gesetzen, so wie ich es beschrieben habe. Insbesondere die Eigenschaft "keine (reversible) Erwärmung" ist keine zusätzliche Annahme, sondern folgt aus dem Einsetzen T = 0 in δ Q = T d S bzw. d E = T d S + … . Ich habe nur eingefügt T = 0 in den Gleichungen und beschreibe, was die Gleichungen in diesem Fall aussagen.
Ich habe das @MolbOrg im vorherigen Kommentar vergessen.
Ich sehe, du zeigst. Das stimmt wann d S kann unendlich klein sein und ist stetig. Es gibt einige mathematische Einschränkungen, wann Sie möglicherweise Differentialformen von etwas haben. Aber bei niedrigem T ist es nicht so genau. Und einer der Gründe, warum wir die Quantenmechanik trennen. Entropie kommt nicht als eigenständige universelle Sache, sie wird von einigen Annahmen in der Thermodynamik abgeleitet. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik , lim T → 0 K ( ∂ S ∂ x ) T = 0 . Wie Sie vielleicht sehen, zögern sie nicht, das 0K-Konzept zu verwenden.
Eine Grenze T → 0 ist nicht gleich einstellen T = 0 . Tatsächlich sagt der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, dass Sie nicht erreichen können T = 0 , was wiederum impliziert, dass Sie nicht umkehrbar davon loskommen können T = 0 (oder Sie könnten einfach den Prozess umkehren, der Sie davon abgebracht hat T = 0 um es zu erreichen).
Die klassische Definition von 3LT, wie es im englischen Wiki heißt, lautet: Es ist für keinen Prozess, egal wie idealisiert, möglich, die Entropie eines Systems in einer endlichen Anzahl von Operationen auf seinen absoluten Nullwert zu reduzieren. Erstens, nicht nur unmöglich, sondern unmöglich für endliche Operationen - der Unterschied ist gering, aber er ist es. Zweitens sprechen sie über thermodynamische Prozesse. Obwohl ich nicht gegen Ihren Standpunkt argumentieren möchte. Wir haben keine 0K-Systeme, und ich habe fast keine Ahnung, was ich mit der Nullpunktenergie anfangen soll, hängt vom LHC ab, was er uns sagen wird. MTFBWY.
Sie können nicht unendlich viele Operationen in endlicher Zeit ausführen, daher "unmöglich in einer endlichen Anzahl von Operationen" = unmöglich für alle praktischen Zwecke. Und natürlich spricht es über thermodynamische Prozesse; das sind die einzigen Prozesse, über die die Thermodynamik definitionsgemäß Aussagen machen kann.
Sicherlich besteht der Grund/Widerspruch darin, dass, wenn etwas am absoluten Nullpunkt existierte, der Akt der Beobachtung, dass es existiert, dazu führen würde, dass es mindestens ein Strahlungsquant absorbiert oder reflektiert. Infolgedessen wäre es nicht mehr auf dem absoluten Nullpunkt!

Ich werde meine Bedenken ignorieren, dass dies thermodynamisch unmöglich ist, gemäß einer Neuinterpretation des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik :

Es ist für keinen noch so idealisierten Prozess möglich, die Entropie eines Systems in einer endlichen Anzahl von Operationen auf ihren absoluten Nullwert zu reduzieren.

Die Entropie eines Systems mit einer Temperatur vom absoluten Nullpunkt ist Null; daher kann kein System den absoluten Nullpunkt erreichen.

Wie auch immer, das wäre der ultimative Kühlkörper. Jede Materie mit einer Temperatur ungleich Null würde Wärme auf das Objekt mit einer Temperatur des absoluten Nullpunkts übertragen, was bedeutet, dass Sie Materie nach Belieben abkühlen könnten. Zu den Bewerbungen würden gehören:

Diese hätten auch immense wissenschaftliche Anwendungen, insbesondere die einfache Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten.

Diese Links sind wirklich cool, sprechen aber nicht wirklich das an, was ich fragen wollte; Die Idee ist, dass diese Kühlung nicht viel einfacher ist, aber dass es eine Methode gibt, um eine marginale Kühlung durchzuführen , um die Substanz den Rest des Weges auf Null zu bringen.
@placeholder Ah, das war mir nicht klar. Vielleicht möchten Sie das der Frage hinzufügen.
Ich bin mir nicht sicher, wie ich das stärker spezifizieren soll. Soll ich einfach die Klammern entfernen?
Würde null Entropie nicht null kinetische Energie implizieren, da alle Energie sozusagen in Potentia existieren würde? Die einzige wirkliche Anwendung wäre als Briefbeschwerer.
@nzaman Das ist die kinetische Definition der Temperatur, wie sie von der kinetischen Gastheorie vorgegeben wird. Die thermodynamische Definition besagt das
T = ( ∂ U ∂ S )
wo U ist innere Energie und S ist Entropie. U enthält nichtkinetische Terme. Dies folgt aus der Grundgleichung der Thermodynamik , wenn wir die außer Acht lassen P d v Begriff.

Ein perfekter Kühler.

Alles, was dauerhaft auf 0 K eingestellt ist, würde kontinuierlich Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Lassen Sie das 0K-Objekt in einem Raum, und der Raum verwandelt sich in wenigen Minuten in einen Gefrierschrank, ohne eine externe Energiequelle zu verwenden. Leider geht die Energie im Raum verloren - das ist schlimmer als ein Schwarzes Loch (Schwarze Löcher enthalten Energie, nur versteckt).

Einverstanden; das ist so ziemlich das, was ich in meiner Antwort geschrieben habe.
Wie in den Kommentaren angemerkt (und jetzt speziell in der Frage angesprochen), ist die Menge an „negativer Energie“ nicht unendlich.

Ich habe kürzlich einen Artikel gelesen, in dem behauptet wird, ein Medium auf ein fünfzehntausendstel Grad Fahrenheit über dem absoluten Nullpunkt kühlen zu können. Dann leiteten sie Elektronen durch das Medium, was ihnen die Möglichkeit bot, die einzelnen Elektronen zu untersuchen.

Ich fand diesen ganzen Thread ein wenig verrückt, aufgrund der Stärke der Behauptungen, die über Unmöglichkeiten und Fakten über Schwarze Löcher gemacht wurden, als ob sich irgendjemand hart genug bemüht hätte, tatsächlich alles zu beweisen, was er sagte. Theoretische Physik kann gut sein, um Theorien zu erstellen, die hypothetisch aufgestellt werden können. Das Problem mit diesem Studienzweig entsteht, als Theorien trotz des Mangels an Beweisen durch wissenschaftliche Prozesse weithin als Tatsachen akzeptiert wurden, ähnlich wie die Evolutionstheorie. Damit möchte ich einige von Ihnen ermutigen, darüber nachzudenken, wie wenig Sie tatsächlich wissen, da Sie vielleicht überrascht sein werden, wie viel Sie lernen können, wenn Sie aufhören zu glauben, dass Sie bereits wissen.

Ein echter, wahrer, ehrlicher absoluter Nullpunkt würde die moderne Physik zerstören. Mit null Temperatur kommt null Geschwindigkeit der beteiligten Teilchen und daher null Impuls. Wenn die Teilchen in einem bekannten Volumen enthalten sind (was in der Frage impliziert zu sein scheint), ist das Heisenburg-Unschärfeprinzip ungültig, und damit geht die gesamte Quantenmechanik den Bach runter.

Ich denke, es wäre das thermische Äquivalent eines Schwarzen Lochs, die Wärmeübertragungsrate ist proportional zum Temperaturunterschied. Es würde die Hitze aus allem um sich herum saugen, bis der ganze Planet gefroren war.

Die Absicht hier ist, dass es eine endliche Menge an „negativer Energie“ gibt, also ist nicht alles einzufrieren.
Schwarze Löcher geben virtuelle Wärme ab
@placeholder Ich glaube, Sie verfehlen meinen Punkt. Die gesamte Wärme in der Umgebung bewegt sich zu dem, was gekühlt wird. Es wird immer schwieriger, etwas abzukühlen, wenn es sich dem absoluten Nullpunkt nähert. Sobald Ihnen die magischen Partikel ausgehen, wird es sich wieder erwärmen. Es ist unwahrscheinlich, dass Sie jemals den absoluten Nullpunkt erreichen werden, wenn Sie nicht auch einen perfekten Isolator erfinden.

Es wird sehr energieeffiziente Computer, sehr energieeffiziente Berechnungen ermöglichen - das Landauer-Prinzip

Das Landauer-Prinzip ist ein physikalisches Prinzip, das sich auf die untere theoretische Grenze des Energieverbrauchs von Berechnungen bezieht. Darin heißt es: „Jede logisch irreversible Manipulation von Informationen, wie etwa das Löschen eines Bits oder das Zusammenführen zweier Rechenpfade, muss mit einer entsprechenden Entropieerhöhung in nicht informationstragenden Freiheitsgraden des informationsverarbeitenden Apparates einhergehen bzw seine Umgebung"

Trog hängt davon ab, wie viel Energie für diese "Magie" benötigt wird.

Auswirkungen des Erreichens des absoluten Nullpunkts
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