Een vraag over vloeibaar helium en het absoluut nulpunt

[Snowwie]

Volgens Wikipedia blijft Helium ook vloeibaar bij een temperatuur van het absoluut nulpunt.

Ik vraag me af, alles wat vloeibaar is moet toch een bepaalde temperatuur hebben om vloeibaar te blijven? Je zou verwachten dat bij een temperatuur van het absoluut nulpunt alle energie op 0 staat, en er eigenlijk geen beweging meer kan zijn van atomen om helium vloeibaar te houden.

Wat voor temperatuur krijgt helium eigenlijk als het vast zou worden?
(afgezien van het feit of het bestaat of niet).

[kevinvdw]

Fout bij wikipedia. Vast helium kan blijven bestaan bij 15K( misschien zelfs hoger, weet ik niet). Je moet echter veel lager gaan (onder 1K) en de druk wat verhogen om van vloeibaar naar vast te gaan. Zoiezo kunnen de atomen bij 0K niet meer trillen. De vraag is: is 0K in de praktijk haalbaar? 0,0000000000000000001 lijk me enorm veel makkelijker te halen dan 0

[MoiZie]

Ehh, nee, geen fout bij Wikipedia. Helium blijft bij normale druk met 0K vloeibaar. Nulpuntsenergie ligt te hoog.

[Lord Daemon]

Een vaste stof is niet een stof waarin alle atomen of moleculen stil staan, maar een stof waarin rigide structuren van de atomen / moleculen bestaan. Dit kan bijvoorbeeld door sterke bindingen, of doordat de deeltjes mooi in roosters gaan liggen. Gebeurt dit allebei niet, dan ontstaat er geen vaste stof. Helium kent bijna geen aantrekkingskracht tussen de atomen, dus ontstaat er geen vaste stof (tenzij je de druk opvoert, dan zal er -- gok ik -- wel een soort kristalrooster ontstaan omdat de atomen zo efficiënt mogelijk "willen" gaan liggen).

[Henk007]

Helium vertoont superfluïditeit, een kwantummechanisch effect, dat niet kan worden uitgelegd in Newtonse analogieën.

[ Voor 32% gewijzigd door Henk007 op 20-02-2012 21:46 ]

[Planck]

Inderdaad. Atomen zijn geen bolletjes maar energie pakketjes. Bij normale energieën lijken het wel bolletjes te zijn, maar bij deze temperaturen ligt dat dus subtiel anders. Tegen het nulpunt 'smelten' de atomen ook samen in een zogenaamde Bose-Einsteincondensaat, waarin de deeltjes geen eigen identiteit meer hebben maar als een kwantum mechanisch geheel functioneert.

[AlexanderB]

en t loopt tegen de wanden omhoog t bakje uit

[MSalters]

diamondback schreef op maandag 20 februari 2012 @ 21:30:
Zoiezo kunnen de atomen bij 0K niet meer trillen.

Ze hebben niet veel keus, ze moeten wel. Heisenberg's onzekerheidsrelatie: als je weet dat ze in je koelkast zitten, dan is hun snelheid niet scherp bepaald en dus ook niet precies 0.

Van de andere kant gezien is 0K een maat voor energie, en energie is op korte tijdsschalen ook onzeker - weer Heisenberg.

[Mx. Alba]

Dus eigenlijk moet je concluderen dat 0K onmogelijk is. Er is altijd wel iets beweging...

[Anoniem: 426307]

MSalters schreef op dinsdag 21 februari 2012 @ 21:11:
[...]

Ze hebben niet veel keus, ze moeten wel. Heisenberg's onzekerheidsrelatie: als je weet dat ze in je koelkast zitten, dan is hun snelheid niet scherp bepaald en dus ook niet precies 0.

Van de andere kant gezien is 0K een maat voor energie, en energie is op korte tijdsschalen ook onzeker - weer Heisenberg.

K is een maat van temperatuur, en temperatuur is een direct gevolg van beweging welke dan weer een gevolg is van energie. Dus ja, op die manier kan je Heisenberg's toepassen.

Maar op die manier kan je ook veronderstellen dat op een temperatuur van 0K er een totale afwezigheid van temperatuur is (Ahja, absolute nulpunt!). Een totale afwezigheid van temperatuur zou dan ook een totale afwezigheid van beweging moeten zijn. Natuurlijk bestaan hier theoriën over dat er dan toch nog beweging zou moeten zijn, maar ik ben daar niet zo van overtuigd. Ik vraag me namelijk af of er bij 0K nog wel materie is?

E=mc² zegt hier namelijk weinig over, want als E = 0 dan kan ofwel m = 0 of c =0 zijn. Als m = 0 dan is het duidelijk dat 0K niet bereikt kan worden, anders ga je in tegen de huidige hoofdwetten van de thermodynamica. Maar als c = 0, dan kan je een m hebben die groter is dan 0...., natuurlijk is dit scenario onzin want c != beweging en c is een 'vastgelegde' constante. Dus in mijn, zij het beperkte, ervaring als (amateur)fysicus kan ik enkel besluiten dat ik het bereiken van 0k onmogelijk vind.

Mx. Alba schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 08:27:
Dus eigenlijk moet je concluderen dat 0K onmogelijk is. Er is altijd wel iets beweging...

0K is eigenlijk een thermisch equilibrium, waarbij alles in een staat gekomen is waar het nooit meer uitgeraakt. Dit kan zijn een totale stilstand van alle deeltjes.

Over vast en vloeibaar Helium, je kan beide zelfs op een vrij hoge temperatuur verkrijgen, er is ook namelijk zoiets als druk. Als je gasvormig helium zo hard samenperst dat er tussen de individuele atomen zo goed als geen ruimte meer is, heb je een vaste stof. Zo 'eenvoudig' is het. Of dit praktisch mogelijk is betwijfel ik, de hoeveelheid kinetische energie lijkt me dan enorm te zijn en de tegendruk gigantisch.

Je kan dit vergelijken met het kookpunt van water, dit is ook niet overal hetzelfde. Het kookpunt van water is sterk afhankelijk van de luchtdruk. Zo kan je bijvoorbeeld een hogedrukpot gebruiken bij het koken, hierdoor zal het water sneller koken, omdat er meer druk is in de pot. Deze druk wordt ontwikkelt doordat het warme water meer ruimte inneemt dan het water toen het koud was.

[ Voor 39% gewijzigd door Anoniem: 426307 op 22-02-2012 10:15 ]

[Henk007]

Anoniem: 426307 schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 10:06:
[...]
Zo kan je bijvoorbeeld een hogedrukpot gebruiken bij het koken, hierdoor zal het water sneller koken, omdat er meer druk is in de pot. Deze druk wordt ontwikkelt doordat het warme water meer ruimte inneemt dan het water toen het koud was.

Bij hogere druk heeft water een hoger kookpunt.
Over het kunnen bereiken van 0K:
Wikipedia: Absolute zero

[ Voor 12% gewijzigd door Henk007 op 22-02-2012 10:26 ]

[Anoniem: 426307]

Henk007 schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 10:16:
[...]


Bij hogere druk heeft water een hoger kookpunt.
Over het kunnen bereiken van 0K:
Wikipedia: Absolute zero

Klein foutje

Thermodynamische gezien kan het absolute nulpunt niet behaald worden. En nulpuntsenergie is vrij theoretisch.

Als je het over nulpuntsenergie wil hebben gaan we nog jaren doorgaan hier. Maar in feite is nulpuntsenergie een theoretisch gevolg van het (ook weer theoretisch) bestaan van gauge fields en ondere andere het higgs field. Deze gauge fields hebben bepaalde gauge bosons en deze 'bevatten' energie ongeacht van de temperatuur. De 'normale' baryonische materie zal bij 0K totaal bewegingloos zijn.

[Anoniem: 8386]

Mx. Alba schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 08:27:
Dus eigenlijk moet je concluderen dat 0K onmogelijk is. Er is altijd wel iets beweging...

0K betekend niet dat er geen beweging in een systeem zit, maar dat het systeem zich in zijn grondtoestand bevindt. Een van de rare gevolgen van kwantummechanica is dat de energie van de grond toestand niet gelijk is aan nul.

[Anoniem: 426307]

Anoniem: 8386 schreef op donderdag 23 februari 2012 @ 12:15:
[...]


0K betekend niet dat er geen beweging in een systeem zit, maar dat het systeem zich in zijn grondtoestand bevindt. Een van de rare gevolgen van kwantummechanica is dat de energie van de grond toestand niet gelijk is aan nul.

Maar in het geval van Helium (3-4) kan je wel de nulpuntsenergie verlagen door de afstand tussen de afzonderlijke atomen te vergroten. Gevolg daarvan is wel dat er nog lagere tempaturen nodig zijn om het Helium in superfluïde toestand te krijgen. (Of zelfs vloeibare toestand)

De reden dat er, altijd beweging is, ook bij 0K/0R, is niet zozeer de nulpuntsenergie maar het onzekerheidsprincipe. Heisenberg's onzekerheidsprincipe stelt dat je niet alle variabelen tegelijk kan 'vaststellen'. Maar als je uitgaat van een totale stilstand van alles op 0K, dan ga je dus in tegen het onzekerheidsprincipe, gewoon omdat stilstand betekend dat je zowel energie, tijd, plaats, impuls en alle andere zooi kan 'vaststellen' (of meten).

Het is trouwens ook al experimenteel aangetoond dat bij 0K nog steeds beweging, dit doormiddel van het experimenteel aantonen van het bestaan van het Casimir-effect (Wikipedia: Casimireffect).

Om even een samenvatting voor de TS te geven:
-Vast Helium: kan enkel onder extreme druk en bij extreem lage temperatuur (<2mK)
-Reden dat Helium bij 1 atmosfeer vloeibaar blijft: Nulpuntsenergie
-Temperatuur vast Helium: afhankelijk van de druk, maar extreem laag (<2mK)

[Fly-guy]

AlexanderB schreef op dinsdag 21 februari 2012 @ 20:28:
en t loopt tegen de wanden omhoog t bakje uit

Klopt ja, is en blijft "magisch" om te zien...

http://youtu.be/2Z6UJbwxBZI een korte versie

YouTube: Liquid Helium II, Superluid

Voor een hele serie over superkoud helium

[Henk007]

Anoniem: 426307 schreef op donderdag 23 februari 2012 @ 12:48:
[...]

-Reden dat Helium bij 1 atmosfeer vloeibaar blijft: Nulpuntsenergie

Nee, de oorzaak is de Bose-Einsteincondensatie, ofschoon die niet volledig is

Only 8% of the atoms are in the single-particle ground state near zero temperature, rather than the 100% expected of a true Bose–Einstein condensate.

Wikipedia: Bose–Einstein condensate
zoek eens in een woordenboek het verschil tussen oorzaak en reden op

[ Voor 18% gewijzigd door Henk007 op 25-02-2012 19:31 ]

[Anoniem: 426307]

Henk007 schreef op zaterdag 25 februari 2012 @ 19:28:
[...]

Nee, de oorzaak is de Bose-Einsteincondensatie, ofschoon die niet volledig is

[...]

Wikipedia: Bose–Einstein condensate
zoek eens in een woordenboek het verschil tussen oorzaak en reden op

Bose-Einstein condensaat is enkel beschreven bij temperaturen 'zeer dicht bij' 0K/0R. Er is zover ik weet geen enkele specifieke beschrijving hiervan bij 0K/0R... of weet jij dingen die wij niet weten?

[MSalters]

De e^-E/T term heeft geen discontinuiteit bij T=0 en er is dus geen reden om aan te nemen dat het gedrag anders zou zijn. Als jij een discontinuiteit veronderstelt, dan zul je zelf moeten aangeven waarom die er zou moeten zijn. (Occam's Razor)

[Confusion]

Mx. Alba schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 08:27:
Dus eigenlijk moet je concluderen dat 0K onmogelijk is. Er is altijd wel iets beweging...

Naast wat er hier al over gezegd is: praktische is het (vooralsnog) onmogelijk een systeem in 0K te krijgen en te houden.

Stel dat je een heel kleine hoeveelheid materie op 0K krijgt: er hoeft maar 1 foton voorbij te komen dat geabsorbeerd kan worden om het geheel vlak boven de 0K te brengen (aangezien temperatuur een maat voor de *gemiddelde* energie is). Mocht het systeem dat foton weer uitzenden, dan is het weer terug in 0K. Absorbeert het nog een foton, dan moet het er eerst twee kwijtraken. Aangezien er zelfs in de koudste plaatsen die we creeeren ontzettend veel fotonen rondvliegen, worden er altijd fotonen geabsorbeerd voor het systeem ze allemaal kwijtraakt. Er ontstaat een evenwicht: een temperatuur waarbij er per tijdshoeveelheid evenveel fotonen worden geabsorbeerd als afgestaan. De laagste temperatuur waarmee dat ooit gelukt is, is 450 picoKelvin.

Met een voldoende groot systeem met voldoende lagen van steeds lager wordende temperatuur zal je een voldoende kleine hoeveelheid materie een klein deel van de tijd op 0K kunnen houden. Ik zou er niet op wachten .

[MSalters]

Confusion schreef op woensdag 29 februari 2012 @ 12:36:
[...]
Naast wat er hier al over gezegd is: praktische is het (vooralsnog) onmogelijk een systeem in 0K te krijgen en te houden.

Niet alleen praktisch. Het is ook theoretisch onmogelijk om een systeem op 0K te krijgen (de bovenstaande discussie gaat impliciet over het op 0K houden).

[Planck]

Confusion schreef op woensdag 29 februari 2012 @ 12:36:
Stel dat je een heel kleine hoeveelheid materie op 0K krijgt: er hoeft maar 1 foton voorbij te komen dat geabsorbeerd kan worden om het geheel vlak boven de 0K te brengen (aangezien temperatuur een maat voor de *gemiddelde* energie is).

Dat los je op met een donkere kamer. Daarbij nemen atomen helemaal niet zomaar fotonen op maar alleen fotonen van een hele specifieke golflengte. Daarom is het ook zo dat deeltjes gekoeld kunnen worden met lasers.

Anyway, het probleem is niet praktisch van aard als dat we daar alleen technische moeilijkheidjes mee hebben maar vooral ook theoretisch. Als onze kennis van de natuur klopt kán het gewoon niet in dit universum. Een vergelijkbaar fenomeen is kwantumfluctuatie waardoor zelfs het meest extreme vacuüm dat we ooit kunnen bereiken een bepaalde energie zal hebben. Niets is in dit heelal noodzakelijkerwijs altijd iets.

[ Voor 2% gewijzigd door Planck op 02-03-2012 22:32 . Reden: zin liep niet ]

[MSalters]

Ongelukkige naam, "Planck". Hoe krijg je een kamer echt donker? Dus ook geen thermische (IR) fotonen meer? Er is maar 1 oplossing: dan moet die kamer zelf ook 0K zijn. Maar ja, dat betekent weer dat die kamer in een grotere kamer moet zitten, die ook 0K moet zijn, dus in een grotere kamer moet zitten ...

En dan hebben we het nog niet eens over Casimir fotonen in die kamer.

[Xochiquetzal]

... is de Heisenberg's onzekerheidsrelatie niet een tijdje geleden 'niet geheel kloppend/verklarend' bewezen?

Linkje

PS: Bij voorbaat mijn excuses voor het bel-en-klepelverhaal.

[MSalters]

Ik snap 't artikel niet helemaal - dat experiment gebruikt meerdere fotonen, maar neemt aan dat het tweede foton zeker dezelfde grootheid meet als de eerste. Dat kan niet - het eerste foton kan de grootheid beinvloed hebben.

[Anoniem: 426307]

MSalters schreef op vrijdag 09 maart 2012 @ 14:54:
Ik snap 't artikel niet helemaal - dat experiment gebruikt meerdere fotonen, maar neemt aan dat het tweede foton zeker dezelfde grootheid meet als de eerste. Dat kan niet - het eerste foton kan de grootheid beinvloed hebben.

Als je iets meet heb je een eenheid...? Ik snap niet wat je over grootheden bezig bent?

[Jasper Janssen]

MSalters schreef op maandag 27 februari 2012 @ 14:00:
De e^-E/T term heeft geen discontinuiteit bij T=0 en er is dus geen reden om aan te nemen dat het gedrag anders zou zijn. Als jij een discontinuiteit veronderstelt, dan zul je zelf moeten aangeven waarom die er zou moeten zijn. (Occam's Razor)

-E/T heeft geen discontinuiteit bij T=0, ie division by zero? Onzin.

[M2M]

oops..

[ Voor 96% gewijzigd door M2M op 10-03-2012 15:58 ]

[Confusion]

MSalters schreef op vrijdag 02 maart 2012 @ 14:15:
Niet alleen praktisch. Het is ook theoretisch onmogelijk om een systeem op 0K te krijgen (de bovenstaande discussie gaat impliciet over het op 0K houden).

Dat ligt aan je systeem toch? Als een 'systeem' slechts uit enkele atomen bestaat, dan zal het, onder de juiste omstandigheden, toch af en toe even geheel in de grondtoestand zitten? Niet dat het erg zinnig is om dan over 'de temperatuur' te spreken...

[madmaxnl]

0K is kan niet, als 0K wel zou kunnen dan kan helium in vaste vorm ook.

Q=ΔU+W (hoofdwet Themodynamica)
H=U+p*V (enthalpie)

Q=warmte [J]
U=interne energie (beweging van de molecule) [J]
p=druk [Pa]
V=volume [m³]

De interne energie van een stof kunnen we niet berekenen, we kunnen wel het verschil in interne energie tussen twee sitaties berekenen.

[ Voor 68% gewijzigd door madmaxnl op 22-03-2012 12:52 ]

[MSalters]

Jasper Janssen schreef op zaterdag 10 maart 2012 @ 13:51:
[...]
-E/T heeft geen discontinuiteit bij T=0, ie division by zero? Onzin.

Geen division by zero. 't Is namelijk een exponent, en lim _x↑∞ e^-x = 0

[MSalters]

Confusion schreef op zondag 11 maart 2012 @ 17:44:
[...]
Dat ligt aan je systeem toch? Als een 'systeem' slechts uit enkele atomen bestaat, dan zal het, onder de juiste omstandigheden, toch af en toe even geheel in de grondtoestand zitten? Niet dat het erg zinnig is om dan over 'de temperatuur' te spreken...

Het probleem van jouw redenering zit 'm in de "af en toe". Temperatuur, als maat van de energie, commuteert met de tijd, en is dus gebonden aan de Heisenberg onzekerheid (zie boven)

[MSalters]

madmaxnl schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 12:44:
0K is kan niet, als 0K wel zou kunnen dan kan helium in vaste vorm ook.

Q=ΔU+W (hoofdwet Themodynamica)
H=U+p*V (enthalpie)

Q=warmte [J]
U=interne energie (beweging van de molecule) [J]
p=druk [Pa]
V=volume [m³]

Newtonse mechanica; je moet in dit gebied quantummechanica gebruiken.

[Compizfox]

Anoniem: 426307 schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 10:06:
Je kan dit vergelijken met het kookpunt van water, dit is ook niet overal hetzelfde. Het kookpunt van water is sterk afhankelijk van de luchtdruk. Zo kan je bijvoorbeeld een hogedrukpot gebruiken bij het koken, hierdoor zal het water sneller koken, omdat er meer druk is in de pot. Deze druk wordt ontwikkelt doordat het warme water meer ruimte inneemt dan het water toen het koud was.

Je bedoelt het juist andersom neem ik aan?

Als je de druk in een pan water verhoogt, gaat het kookpunt van het water daardoor omhoog. Je kunt het water dus warmer maken voordat het verdampt (En die energie wegtransporteert), waardoor je eten eerder gaar is

In een normale pan verdampt het water zodra het 100 graden bereikt, en neemt bij die faseovergang die warmte mee, waardoor het spul afkoelt.

madmaxnl schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 15:30:
E=mc² werkt zo niet. E=mc² wordt gebruikt om aan de hand van het massa defect de vrijgekomen energie te bepalen en vice versa. Temperatuur heeft namelijk geen invloed op massa, dus of de massa nu 0K of 28000K is. Het maakt niet uit, E blijft in E=mc²gelijk. De massa krijgt wel andere vormen van energie als je de temperatuur, bewegingssnelheid of 'hoogte' aanpast.

Hoe bedoel je dat precies? Als je iets opwarmt wordt de massa daardoor wel degelijk groter.

Ook een object dat een grotere snelheid heeft, heeft een grotere massa.

[ Voor 27% gewijzigd door Compizfox op 22-03-2012 15:47 ]

[madmaxnl]

MSalters schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 14:40:
[...]

Newtonse mechanica; je moet in dit gebied quantummechanica gebruiken.

Hoe kom je daar bij ?

Anoniem: 426307 schreef op woensdag 22 februari 2012 @ 10:06:


E=mc² zegt hier namelijk weinig over, want als E = 0 dan kan ofwel m = 0 of c =0 zijn. Als m = 0 dan is het duidelijk dat 0K niet bereikt kan worden, anders ga je in tegen de huidige hoofdwetten van de thermodynamica. Maar als c = 0, dan kan je een m hebben die groter is dan 0...., natuurlijk is dit scenario onzin want c != beweging en c is een 'vastgelegde' constante. Dus in mijn, zij het beperkte, ervaring als (amateur)fysicus kan ik enkel besluiten dat ik het bereiken van 0k onmogelijk vind.

E=mc² werkt zo niet. E=mc² wordt gebruikt om aan de hand van het massa defect de vrijgekomen energie te bepalen en vice versa. Temperatuur heeft namelijk geen invloed op massa, dus of de massa nu 0K of 28000K is. Het maakt niet uit, E blijft in E=mc²gelijk. De massa krijgt wel andere vormen van energie als je de temperatuur, bewegingssnelheid of 'hoogte' aanpast.

[ Voor 70% gewijzigd door madmaxnl op 22-03-2012 15:36 ]

[blobber]

Compizfox schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 15:14:
[...]

Ook een object dat een grotere snelheid heeft, heeft een grotere massa.

Nee, dat is relativistische massa.Hierbij wordt de formule E=gamma * mc² geschreven als E=m_relc²
De rustmassa m (die zwaartekracht voelt en genereert) blijft gelijk.

[link0007]

E=gamma * mc² is wiskundig gelijk aan de formule met relativistische massa (E=m²c⁴ + p²c²). Het verschil is dat je de lorentzfactor toevoegt om zo alsnog de snelheidsfactor erin te krijgen, waar die bij de relativistische beschrijving in de impuls wordt meegenomen. Dus alhoewel je gelijk hebt dat de rustmassa gelijk blijft, zal de energie-impuls-tensor wél veranderen aan de hand van de impuls (en dus snelheid). De Einstein-vergelijkingen leren ons vervolgens dat de ruimte kromt op basis van de energie-impuls-tensor (meer energie en massa levert meer kromming op), en we weten allemaal dat zwaartekracht de kromming van de ruimte is. En dus heeft snelheid invloed op de zwaartekracht.

[blobber]

Hm, ja, ik moet toegeven dat je verhaal wel overtuigend klinkt.Het lijkt erop dat ik ernaast zit wbt relativistische massa en zwaartekracht.

[link0007]

[b]madmaxnl schreef op donderdag 22 maart 2012 @ 15:30:
E=mc² werkt zo niet. E=mc² wordt gebruikt om aan de hand van het massa defect de vrijgekomen energie te bepalen en vice versa. Temperatuur heeft namelijk geen invloed op massa, dus of de massa nu 0K of 28000K is. Het maakt niet uit, E blijft in E=mc²gelijk. De massa krijgt wel andere vormen van energie als je de temperatuur, bewegingssnelheid of 'hoogte' aanpast.

Toevallig kwam ik het net tegen bij een college van Susskind (vanaf 0h:55m t/m 1h:00m)

Oftewel: De massa neemt wél toe naarmate je de temperatuur verhoogt. Mocht je twijfelen aan Susskind's capaciteiten als natuurkundige, hou er dan wel rekening mee dat hij een van de grootste natuurkundigen is van deze tijd. Tevens, zoals hij zelf ook al zegt, is de toename ontzettend klein. Ik heb het zelf even snel berekend voor 1liter helium op 1000 graden celcius, en de toename is in de orde van 8*10^-15 gram (alhoewel ik niet geheel zeker ben van mijn berekeningen, maar het zal wel in de buurt zitten)