Einstieg — Nach unten gibt es eine Grenze
Nach oben ist die Temperaturskala offen, nach unten ist bei −273,15 °C Schluss.
Warum es eine kälteste, aber keine heißeste Temperatur gibt:
- Nach oben offen:Im Inneren der Sonne herrschen Millionen Grad, eine obere Grenze gibt es nicht.
- Temperatur:Sie ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen.
- Langsamer als Stillstand geht nicht — deshalb gibt es eine Grenze nach unten.
Der absolute Nullpunkt
Grenze: Die Temperaturskala ist nach oben offen, nach unten gibt es eine Grenze bei \(-273{,}15\,^\circ\mathrm C\).
Temperatur: Sie ist ein Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen.
Begründung: Langsamer als Stillstand geht nicht, deshalb gibt es eine kälteste, aber keine heißeste Temperatur.
Erklärung — Der absolute Nullpunkt
Die Temperatur, bei der die Teilchenbewegung zum Erliegen käme.
| Celsius | Kelvin | Fahrenheit |
|---|---|---|
| −273,15 °C | 0 K | −459,67 °F |
Vier Aussagen, die stimmen
- Bewegungsenergie null:Die ungeordnete Teilchenbewegung käme vollständig zum Stillstand.
- Berechnet:Der Wert wurde nicht gemessen, sondern aus Messreihen extrapoliert.
- Tiefstmöglich:Kälter kann kein Körper werden, weil es keine negative Bewegungsenergie gibt.
- Nullpunkt:Hier beginnt die Kelvin-Skala, deshalb gibt es keine negativen Kelvin-Werte.
Drei Aussagen, die nicht stimmen:
- „Die tiefste je erreichte Temperatur“ ist falsch: in Speziallaboren kommt man bis auf Milliardstel Kelvin heran, die Null selbst nie.
- „Unter 0 K geht es weiter“ ist falsch: negative Bewegungsenergie gibt es nicht, also auch keine negativen Kelvin-Werte.
- „Jedes Gas hat einen eigenen Nullpunkt“ ist falsch: alle Gase treffen die Temperaturachse bei −273,15 °C.
Wie man einen Wert findet, den man nie messen kann
Die Idee stammt aus Versuchen mit Gasen.
- Versuch:Eine eingeschlossene Gasmenge wird bei gleichbleibendem Druck erwärmt und dehnt sich aus.
- Gleichmäßig:Zu jedem Grad mehr gehört derselbe Volumenzuwachs, im Diagramm ergibt das eine Gerade.
- Verlängern:Nach links fortgesetzt trifft die Gerade die Temperaturachse dort, wo das Volumen null wäre.
- Immer dieselbe Stelle:Jedes Gas liefert −273,15 °C — der Wert gehört zur Temperatur, nicht zu einem Stoff.
Die Grenze nach unten:
0 K = −273,15 °C
0 K: Absoluter Nullpunkt, die tiefstmögliche Temperatur.
T: Temperatur in Kelvin (K); Kelvin-Werte sind nie negativ.
E: Mittlere Bewegungsenergie der Teilchen; bei 0 K wäre sie null.
Definition: Der absolute Nullpunkt ist die tiefstmögliche Temperatur: Die ungeordnete Teilchenbewegung käme vollständig zum Stillstand.
Kelvin-Skala: Sie beginnt am absoluten Nullpunkt, deshalb gibt es keine negativen Kelvin-Werte.
Nie erreichbar: Man kommt beliebig nahe heran, erreicht die Null aber nie; für alle Gase liegt der Wert bei \(-273{,}15\,^\circ\mathrm C\).
Interaktiv: Die Gerade verlängern
Sechs Messpunkte aus einem Gasversuch — mehr gibt das Experiment nicht her. Die Gerade durch die Messpunkte lässt sich nach links extrapolieren, bis sie die Temperaturachse trifft.
Je Gas haben die Geraden unterschiedliche Steigungen — die Messwerte sind ja andere. Aber alle drei treffen die Temperaturachse an derselben Stelle. Genau dieser gemeinsame Schnittpunkt ist der absolute Nullpunkt.
Hinweise — Was am Nullpunkt wirklich passiert — und was nicht
Drei Klarstellungen:
Volumen wird nie null
Das Volumen wird nie wirklich null: jedes Gas wird vorher flüssig und fest, verlängert wird die Gerade nur rechnerisch.
Es gibt keine Kälte
Es gibt keine „Kälte“, die man zuführt: Abkühlen heißt immer, dass einem Körper Energie entzogen wird.
Kelvin ab dem Nullpunkt
Kelvin zählt ab dem Nullpunkt der Bewegungsenergie, deshalb bedeutet doppelt so viel Kelvin auch ungefähr doppelte Bewegungsenergie.
Ein paar Temperaturen zum Einordnen
| Ort oder Vorgang | in °C | in K |
|---|---|---|
| Absoluter Nullpunkt | −273,15 | 0 |
| Weltall (kosmische Hintergrundstrahlung) | ≈ −270 | ≈ 2,7 |
| Kältepol der Erde (Wostok-Station, 1983) | −89,2 | 183,95 |
| Gefrierpunkt von Wasser | 0 | 273,15 |
| Körpertemperatur des Menschen | ≈ 37 | ≈ 310 |
| Hitzerekord (Death Valley, 1913) | 56,7 | 329,85 |
| Siedepunkt von Wasser | 100 | 373,15 |
| Oberfläche der Sonne | ≈ 5500 | ≈ 5800 |