Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich die Entropie eines Stoffes, die ein Maß für die Unordnung oder Unsicherheit im System ist, einem konstanten und endlichen Wert annähert, wenn er auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C oder 0 Kelvin) abkühlt.
Dieses Gesetz besagt, dass das Erreichen des absoluten Nullpunkts unendlich viele Schritte erfordern würde, was in der Praxis unerreichbar ist. Darüber hinaus legt es nahe, dass alle Systeme bei dieser extremen Temperatur einen Zustand maximaler Ordnung und theoretisch minimaler Unordnung erreichen würden, was grundlegende Auswirkungen auf Bereiche wie die Quantenphysik und die Untersuchung neuer Materialien mit außergewöhnlichen Eigenschaften bei extrem niedrigen Temperaturen hat.
Hier einige Beispiele, die dieses Prinzip veranschaulichen:
Beispiel 1: Eiskristalle
Wenn Wasser auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt, bilden sich Eiskristalle. Mit sinkender Temperatur verlieren die Wassermoleküle Energie und organisieren sich zu einer hochgeordneten Struktur.
Beim absoluten Nullpunkt würden die Eiskristalle ihre maximale Ordnung erreichen.
Beispiel 2: Supraleitung
Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das in bestimmten Materialien auftritt, wenn sie unter eine bestimmte kritische Temperatur abgekühlt werden. Bei dieser kritischen Temperatur weisen supraleitende Materialien eine einzigartige Eigenschaft auf: Der elektrische Widerstand verschwindet vollständig, sodass Strom ohne Energieverlust fließen kann.
Der Dritte Hauptsatz der Thermodynamik erklärt den Zusammenhang zwischen Supraleitung und Entropiereduzierung bei extrem niedrigen Temperaturen.
Wenn wir unter normalen Bedingungen elektrischen Strom durch einen Leiter, beispielsweise einen Kupferdraht, leiten, stoßen die Elektronen, die den Strom transportieren, auf Hindernisse und kollidieren mit den Ionen des Materials, was einen Widerstand gegen den Elektronenfluss erzeugt. Dieser Widerstand ist für den Verlust von Energie in Form von Wärme verantwortlich und begrenzt die Effizienz elektrischer Geräte.
Doch in einem supraleitenden Material passiert bei sehr niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt etwas Erstaunliches: Elektronen bilden „Cooper-Paare“. Diese Paare bestehen aus zwei Elektronen, die zusammenkommen und sich gemeinsam durch den Kristall bewegen, ohne auf Widerstand zu stoßen.
Beispiel 3: Flüssiges Helium
Helium, bei Raumtemperatur ein Gas, wird bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt flüssig.
Wenn Helium abkühlt und flüssig wird, verlieren seine Atome an Energie und bewegen sich mit weniger Bewegung, was zu einer deutlichen Abnahme der Entropie führt.
Beispiel 4: Bose-Einstein-Kondensate
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verkleben einige Atome in einem besonderen Aggregatzustand, dem sogenannten Bose-Einstein-Kondensat.
In diesem Quantenzustand verlieren die Atome ihre Individualität und verhalten sich wie ein einziges Quantengebilde. Dieses Phänomen ist dank des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik möglich, der besagt, dass die Entropie abnimmt, wenn extrem niedrige Temperaturen erreicht werden.
Dieses Phänomen wurde in den 1920er-Jahren von Albert Einstein und dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose vorhergesagt. Die Idee basiert auf der Bose-Einstein-Quantenstatistik, die das Verhalten identischer und nicht unterscheidbarer Teilchen wie Lichtphotonen oder der Atome, aus denen bestimmte Elemente bestehen, beschreibt.
Unter normalen Bedingungen, bei höheren Temperaturen, folgen die Teilchen einer statistischen Fermi-Dirac- (für Fermionen) oder Maxwell-Boltzmann-Verteilung (für Bosonen).
Wenn die Teilchen jedoch auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden, beginnt ihr kollektives Quantenverhalten zu dominieren und sie neigen dazu, in den niedrigstmöglichen Energiezustand zu „kollabieren“. Zu diesem Zeitpunkt besetzen viele Teilchen einen einzigen Quantenzustand und bilden das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat.
In diesem Quantenzustand verlieren die Teilchen ihre Individualität und verhalten sich wie ein kollektives „Superteilchen“ mit makroskopischen Quanteneigenschaften. Alle Substanz wird zu einer einzigen Quanteneinheit
Beispiel 5: Festes Helium
Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt kann flüssiges Helium auch erstarren. Im festen Zustand zeigt Helium ungewöhnliche Verhaltensweisen wie Superfluidität, bei der es ohne Widerstand durch extrem enge Kapillaren fließen kann und damit den klassischen Gesetzen der Physik widerspricht.
Beispiel 6: Trockeneis
Trockeneis ist Kohlendioxid (CO2) in festem Zustand bei Temperaturen, die weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen. Im Gegensatz zu Wasser, das bei 0 °C gefriert, erstarrt CO2 direkt als Trockeneis bei -78,5 °C (-109,3 °F) und normalem Atmosphärendruck.
Wenn Trockeneis Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt hat, verhält es sich bei diesen extrem niedrigen Temperaturen ähnlich wie andere Feststoffe. Die kinetische Energie der CO2 -Moleküle , aus denen Trockeneis besteht, wird drastisch reduziert, was zu einer hochgeordneten Struktur und einer deutlichen Abnahme der Entropie führt. In diesem Zustand würde Trockeneis bei Raumtemperatur seine maximal mögliche thermische Ordnung erreichen.
Trockeneis wird häufig als Kältemittel, in der Lebensmittelindustrie, beim Transport wärmeempfindlicher Materialien und als Spezialeffekt in der Theater- und Unterhaltungsindustrie eingesetzt.
