Physiker tricksen den absoluten Nullpunkt aus

[Dannyboy]

Für einen Laien ist ein Gas etwas, das keine feste Form und kein festes Volumen besitzt. Das liegt daran, dass alle Atome/Moleküle frei gegeneinander beweglich sind.

Wenn nun beim absoluten Nullpunkt keine Bewegung mehr möglich ist, dann verhält sich ein "ideales Gas" auch nicht mehr, laienhaft ausgedrückt, wie ein Gas und darauf hab ich angespielt.

Wieso sollte da keine Bewegung mehr möglich sein? Es wirken ja keine Kräfte, die sich einer Bewegung entgegen setzen. Es finden keine thermische Bewegungen mehr statt, aber sonst...
Abgesehen davon, dass ein ideales Gas am absoluten Nullpunkt ein Volumen von 0 m^3 einnimmt.

Da ein ideales Gas also praktisch wohl nicht möglich ist, sollte man es wissenschaftlich korrekt auch nicht für absolute Festlegungen benutzen, da es dafür keine realen Aussagen treffen kann. Aber vielleicht muss man dafür theoretischer Physiker sein, um da mitreden zu dürfen

Den Gedanken verstehe ich nicht. Ein ideales Gas ist ein Modell.

[Spocky]

Ein ideales Gas ist eine Singularität?

Demnach sind da die physikalischen Gesetze gar nicht definiert. Wird ja immer schöner^^

Modelle müssen auch nicht für alles gelten

Bewegung erzeugt Reibung, Reibung erzeugt Wärme, Wärme erzeugt thermische Bewegung
Ergo ist Bewegung ohne thermische Bewegung nicht möglich...

[Dannyboy]

Ein ideales Gas ist eine Singularität?

Hä? Die Teilchen eines idealen Gases sind per Definition ausdehnungslos.
p*V = n*R*T

Demnach sind da die physikalischen Gesetze gar nicht definiert. Wird ja immer schöner^^

Bist du betrunken? Die Gesetze sind natürlich definiert. Das ideale Gasgesetz ist für ideale Gase definiert und stellt für reale Gase eine Näherungsformel dar. Ansonsten muss man eben auf Virialgleichungen für reale Gase und ähnliches zurückgreifen.

Bewegung erzeugt Reibung, Reibung erzeugt Wärme, Wärme erzeugt thermische Bewegung
Ergo ist Bewegung ohne thermische Bewegung nicht möglich...

Doch natürlich. In einem idealen Gas gibt es keine Reibung.

[xanrof]

Erstmal: In einem realen Gas haben die Teilchen ein Eigenvolumen und kollidieren auch miteinander.
Da die Zahl der Teilchen sehr gross ist, muss dies bei der Berechung von Gesamtdruck und Gesamtvolumen beruecksichtigt werden.
Die Verhaeltnisse in einem realen Gas werden dabei durch die Van-der-Waals-Gleichung ausgedrueckt:
nRT = (P+ (n^2 a/V^2)) * (V - nb)
(https://de.wikipedia.org/wiki/Van-der-Waals-Gleichung)

Bei einem idealen Gas ist per Definition das Teilchenvolumen null und die Gasteilchen kollidieren nicht miteinander:
Mathematisch wird dies erreicht, indem man a=0 und b=0 setzt. Die Gleichung reduziert sich zu der allseits bekannten Gasgleichung
nRT = PV.

Beides zusammen ist ein mathematisches Modell, um die Verhaeltnisse zu beschreiben.

Die mathematische Beschreibung fuer ein ideales Gas ist nicht nur ein theoretisches Konstrukt, sondern hat eine hohe praktische Bedeutung:
Bereits bei Druecken von 10^-4 bar und darunter ("Feinvakuum") ist die Teilchendichte in einem Gas so gering, dass Eigenvolumen und Wechselwirkungen vernachlaessigt werden koennen. Die "mittlere freie Weglaenge", also die Strecke, die ein Teilchen zuruecklegt, bevor es zu einer Kollision kommt, liegt hier schon im Bereich von Zentimetern.
So kann bei fast allen astrophysikalischen und kosmochemischen Problemen die vereinfachte Gleichung fuer ideale Gase verwendet werden.

Ein ideales Gas ist somit eine Bezeichnung fuer den Fall,
dass Teilchenvolumen und -kollisionen vernachlaessigt werden koennen.
Das ist nicht erst am Nullpunkt der Fall.

Wie sich das Modell mathematisch aendert, wenn man sich dem absoluten Nullpunkt stark naehert (Quanteneffekte, ...), kann ich jetzt so nicht beurteilen.

Noch eine Randbemerkung: Bei Wikipedia und in vielen Lehrbuechern wird die Gleichung fuer ideale Gase als die "Allgemeine Gasgleichung" und die Van-der-Waals-Gleichung als der Spezialfall dargestellt. Das hat vor allem historische Gruende.
Ich denke jedoch, es ist sinnvoller, eine Gleichung, die Faktoren fuer alle Faelle enthaelt, als den allgemeinen Fall zubezeichnen. Das waere hier die VdW-Gleichung. Bei idealen Gasen werden die Faktoren a und b null und man erhaelt einen Sonderfall. Aber das ist eine eher philosophische Diskussion.

[Spocky]

Sind Singularitäten in der Physik nicht Dinge, bei denen die Gesetze, die sie vorhersagen nicht gelten, beispielsweise Relativitätstheorie und Schwarze Löcher?

[Dannyboy]

Sind Singularitäten in der Physik nicht Dinge, bei denen die Gesetze, die sie vorhersagen nicht gelten, beispielsweise Relativitätstheorie und Schwarze Löcher?

Oder der Brennpunkt in der einfachen Strahlungsoptik. Werden die Strahlen durch eine ideale Linse in einem Brennpunkt fokussiert, haben wir einen Ort unendlicher Energiedichte, denn der Brennpunkt hat keine Ausdehnung.

[Agent Scullie]

Ein ideales Gas ist eine Singularität?

bei 0 K hat ein klassisches ideales Gas das Volumen null. Die Teilchen- und Massendichte ist dann unendlich und folglich singulär.

Demnach sind da die physikalischen Gesetze gar nicht definiert.

dass in der ART die bekannten Gesetze an einer Singularität zusammenbrechen, liegt daran, dass dort nicht nur die Dichte unendlich wird, sondern es anziehende Wechselwirkungen wie z.B. die Gravitation gibt, die unendlich stark werden. Ein ideales Gas gravitiert aber nicht, folglich ist die Singularität weitaus harmloser.

Bewegung erzeugt Reibung, Reibung erzeugt Wärme, Wärme erzeugt thermische Bewegung
Ergo ist Bewegung ohne thermische Bewegung nicht möglich...

das Schlüsselwort hier lautet quasistatisch. Quasistatisch bedeutet: stets dicht am thermodynamischen Gleichgewicht. So dicht, dass man in guter Näherung davon ausgehen kann, dass das Gleichgewicht stets vorliegt. Bei quasistatischer Prozessführung gibt es keine Reibung. Die gibt es nur bei nicht-quasistatischer Prozessführung, bei der Entropie erzeugt wird. Bei quasistatischer Prozessführung wird keine Entropie erzeugt.

[xanrof]

@Agent Scullie:
Wegen meiner Behauptungen in #19 ueber den Begriff 'ideales Gas' wollte ich doch nochmal in der Physikabteilung nachfragen.

Nach deinem Post klingt es, als waere die Bezeichnung "ideales Gas" nur fuer den Fall T=0 K reserviert. Ist dem so -oder ist es auch ok, ein verduenntes Gas als "ideal" zu bezeichnen, wenn Eigenvolumen + Kollisionen vernachlaessigt werden koennen? Es geht mir v.a. um die Bezeichung.

[Agent Scullie]

@Agent Scullie:
Wegen meiner Behauptungen in #19 ueber den Begriff 'ideales Gas' wollte ich doch nochmal in der Physikabteilung nachfragen.

Nach deinem Post klingt es, als waere die Bezeichnung "ideales Gas" nur fuer den Fall T=0 K reserviert.

keine Ahnung wie du darauf kommst

Ist dem so

nee, ganz sicher nicht.

-oder ist es auch ok, ein verduenntes Gas als "ideal" zu bezeichnen, wenn Eigenvolumen + Kollisionen vernachlaessigt werden koennen?

ganz recht.

[xanrof]

keine Ahnung wie du darauf kommst

Arrgh, sorry, hatte mich verschrieben: nicht nach deinem Post, sondern nach einem der anderen Post zuvor, da bin etwas unsicher geworden.

Aber die Frage ging an dich.
Danke fuer die Antwort.

[Agent Scullie]

Da ein ideales Gas also praktisch wohl nicht möglich ist, sollte man es wissenschaftlich korrekt auch nicht für absolute Festlegungen benutzen, da es dafür keine realen Aussagen treffen kann.

so erstaunlich und unvorstellbar das auch für dich sein mag: es kann reale Aussagen treffen! Grund: für jedes reale Gas lässt sich ein Grenzfall finden, in dem es sich wie ein ideales Gas verhält, in dem also z.B. die innere Energie und das Volumen proportional zur Temperatur sind. Daher kann man anhand von Beobachtungen bei realen Gasen den Temperaturnullpunkt ermitteln, auch wenn die Beobachtungen natürlich bei sehr viel höheren Temperaturen als 0 K durchgeführt werden. Man misst einfach, um welchen Faktor V2/V1 sich das Volumen ändert, wenn man ein Gas von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 erwärmt. Daraus kann man ermitteln, um welchen Faktor die Temperatur T2 höher als T1 ist, wenn man beide auf den absoluten Nullpunkt bezieht. Daraus kann man dann ableiten, wo der absolute Nullpunkt z.B. auf der Celsius-Skala liegt. Siehe auch:

Thermische Zustandsgleichung idealer Gase ? Wikipedia

[Sotho TalKher]

Ich hab keine Ahnung von dem Thema, bin aber mmer gerne wissbegierig...

All diese Berchnungen und Formeln beziehen sich auf das Ideale gas. Okay, das hab ich noch halbwegs verstanden. Welchen Einfluß haben in dem fall Druck und Anziehungskraft? Sowohl die eigene Gravitationskraft und auch die Schwerkraft? Sind diese bedeutungslos und haben keinen Einfluß?

Und zweitens das Hochvakuum - unter den laborbedingungen ist so etwas immer künstlich erzeugt. Wie sieht es aber im richtigen Vakuum aus? Mir ist klar das es auch im vakuum des Weltalls von Teilchen so wimmelt, was aber wenn man doch irgendwo im interstellaren raum eine Ecke finden würde die wirklich "leer" ist. Könnten dort nicht auch andere Gesetze gelten?

[pollux83]

Und zweitens das Hochvakuum - unter den laborbedingungen ist so etwas immer künstlich erzeugt. Wie sieht es aber im richtigen Vakuum aus? Mir ist klar das es auch im vakuum des Weltalls von Teilchen so wimmelt, was aber wenn man doch irgendwo im interstellaren raum eine Ecke finden würde die wirklich "leer" ist. Könnten dort nicht auch andere Gesetze gelten?

Außerhalb von Galaxien war die Durchschnittsdichte ca. 1 Teilchen pro 1 km³ wenn ich mich richtig erinnere. Das ist höchstes Hochvakuum, aber selbst in einem Sonnensystem hat man nur 1 Teilchen pro 1 cm³. Und andere Gesetze gelten da auch nicht, nur weil keine Teilchen da sind. Man geht (gezwungenermaßen) davon aus, dass überall im Universum die gleichen Gesetze gelten wie hier auf der Erde. Mit anderen Worten: Konstanten haben überall die gleiche Größe. Wobei es in der Astrophysik auch Theorien mit veränderlicher Lichtgeschwindigkeit gibt.

Zurück zum Nullpunkt. Wie schon gesagt kann man die Temperatur auf unterschiedliche Weise definieren. Normalerweise über die Teilchenbewegung. Bei 0 K würde ein Atom stillstehen. Das ist aber unmöglich zu erreichen.
Man kann aber auch über die Entropie gehen. Bei 0 K hat man dann eine perfekte Ordnung. Die Physiker schaffen es jedoch, das System weiter zu ordnen, sodass man eine negative Temperatur erhält. Man hat dann eine positive Geschwindigkeit (T>0K) und eine negative Entropie (T<0K) gleichzeitig.

[xanrof]

Außerhalb von Galaxien war die Durchschnittsdichte ca. 1 Teilchen pro 1 km³ wenn ich mich richtig erinnere. Das ist höchstes Hochvakuum, aber selbst in einem Sonnensystem hat man nur 1 Teilchen pro 1 cm³. Und andere Gesetze gelten da auch nicht, nur weil keine Teilchen da sind.

Nicht ganz.
Die mittlere Teilchendichte im interplanetaren bis interstellaren Raum liegt bei 1-10 Teilchen pro Kubikzentimeter, entspricht einem Druck von ca. 10^-20 bar.
Im intergalaktischen Raum wird eine Teilchendichte von 1 pro Kubikmeter erwartet.
Das sind sehr, sehr, sehr viel weniger Teilchen als im Hochvakuum (ca. 10^9 bis 10^12 Teilchen, Druck etwa 10^-6 bis 10^-10 bar). Ein Hochvakuum laesst sich im Lab ziemlich leicht herstellen.

Wobei es in der Astrophysik auch Theorien mit veränderlicher Lichtgeschwindigkeit gibt.

... wobei hier ganz besonders die Betonung auf "Theorie" liegen sollte.

[horstfx]

... wobei hier ganz besonders die Betonung auf "Theorie" liegen sollte.

Ist zwar nicht direkt zum Thema, aber ich hab erst letztens ein Interview mit einem italienischen Physiker gelesen.

Solange man die Naturkonstanten nicht versteht auf denen unsere universellen Gesetze basieren, sollten Physiker nicht zu selbstsicher sein und glauben sie kennen die ultimative Wahrheit. (seine sinngemäße Aussage)

Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist bekannt, aber solange man nicht versteht warum sie exakt den Wert besitzt, den sie besitzt, sollte man nicht zu schnell davon ausgehen, dass sie unveränderlich ist. Das gleiche gilt für andere Naturkonstanten.