Warum ist keine absolute Temperatur von 0K0K0 K möglich?

Eigentlich ist Temperatur definiert als

Um also eine Temperatur von Null zu haben, benötigen Sie ein System mit entweder einer Multiplizität von Null, die Sie per Definition nicht haben können, oder einer unendlichen Ableitung$\partial\Omega/\partial E$obwohl die Vielheit selbst endlich ist. Mathematisch gesehen gibt es solche Funktionen, aber soweit ich weiß, wurden sie in der Physik nicht gefunden.

Eine praktische Definition der Temperatur ist, dass sie ein Maß für die durchschnittliche kinetische Translationsenergie ist, die mit der ungeordneten mikroskopischen Bewegung von Atomen und Molekülen verbunden ist.

Das zugrunde liegende Gerüst aller Materie ist quantenmechanisch. Das bedeutet, dass die Heisenbergsche Unschärferelation gilt. Selbst für ein einzelnes Teilchen bedeutet das HUP, dass die kinetische Energie nicht auf Null beschränkt werden kann, noch mehr für das Ensemble von Teilchen, aus denen jede Materie besteht. Aufgrund des HUP wird in jedem Teilchenensemble immer etwas kinetische Energie vorhanden sein.

Der Grund, warum Materie keine absolute Temperatur von Null erreichen kann, ist meiner Meinung nach die Quantenmechanik.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein Quantensystem genau dann eine absolute Nulltemperatur hat, wenn seine Entropie Null ist: Das heißt, es reagiert mit nichts, einschließlich seiner Umgebung, was unmöglich zu erreichen ist.

Im QM-Sinne wäre 0K erreicht, wenn alle Bewegung aller Teilchen, aus denen Materie besteht, aufhört und alles zum Stillstand kommt. ABER die Unschärferelation besagt, dass Moleküle nicht still stehen und weiterhin eine genaue Position haben können. Die kinetische Energie kann für kein System auf Null begrenzt werden, nicht einmal in der Theorie.

Die Temperatur ist ein Maß für die Verteilung von Energiezuständen in einem System. Wenn sich ein System in einem reinen Zustand befindet, der durch seine Grundzustandsenergie definiert ist, dann ist seine Temperatur Null, selbst wenn es eine Restgrundzustandsenergie wie in einem harmonischen Quantenoszillator gibt.

Zum Beispiel hat ein perfekter Kristall einen Grundzustand mit der niedrigsten Energie und die Energieniveaus sind diskret, sodass das nächsthöhere Energieniveau durch eine Energielücke getrennt ist. Theoretisch kann man sich vorstellen, dass es sich in diesem Grundzustand befindet und daher eine Temperatur von Null hat.

Das Problem ist, wie könnten Sie es in der Praxis in diesem Zustand halten, vorausgesetzt, Sie könnten es überhaupt erreichen? Es müsste in einem isolierten Behälter existieren, um es vor Photonen abzuschirmen, die einen Modus mit höherer Energie anregen könnten. Sie müssten sicherstellen, dass die Energie aller Photonen, mit denen es interagieren könnte, eine Energie hat, die geringer ist als die Energie, die erforderlich ist, um es auf sein nächstes Energieniveau zu heben. Das Problem ist, dass der Behälter, der ihn umgibt, auch eine Temperatur haben würde, sodass er Photonen emittieren könnte. Sie müssen sicherstellen, dass es kein Photon emittieren kann, das genug Energie hätte, um den Grundzustand des Kristalls zu zerstören. Die Strahlung hätte selbst eine Temperatur, was immer bedeutet, dass es eine kleine Wahrscheinlichkeit für ein Photon mit höherer Energie gibt.

In der Praxis wird jedes Niedertemperatursystem in einer Reihe von isolierenden Behältern aufbewahrt, die versuchen, es von der Außenwelt zu isolieren, wo die Temperatur höher ist. Egal wie gut dies gemacht wird, Sie können die Möglichkeit nicht ausschließen, dass ein Photon von außen eine Reihe von Photonen erregt, die jedes System durchdringen und den Kristall auf eine endliche Temperatur anregen. Die Temperatur wird im Kontext der statistischen Physik definiert, wo selbst die Wahrscheinlichkeit, dass das System ein erhöhtes Energieniveau hat, eine Temperatur ungleich Null impliziert.

Das bedeutet, dass Sie nur wissen können, dass seine Temperatur Null ist, wenn Sie eine Quantenmessung durchgeführt haben, die ihn in einen reinen Grundzustand versetzt, aber keine Messung ist so perfekt, es sei denn, das Messgerät selbst hat eine Temperatur von Null. Außerdem besteht unmittelbar nach der Messung die Wahrscheinlichkeit, dass sein Energieniveau durch eine Einwirkung von außen wieder angestiegen ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Sie sich theoretisch ein System mit einer Nulltemperatur vorstellen können, aber in der Praxis ist dies nicht zu erreichen.

Um auf 0 k herunterzukommen, müssten Sie die gesamte "Wärmeenergie" im betreffenden Körper entfernen. Wie würdest du das machen, ohne einen "Kühlkörper" zu haben, der schon eine niedrigere Temperatur hat?? Scheint mir eine Einschränkung des zweiten Gesetzes zu sein.