Beneden het absolute nulpunt. Kan dat?

[Christiaan]

OpifexMaximus en ik zaten ons af te vragen of het mogelijk is dat de temperatuur zakt beneden het absolute nulpunt. Het afnemen van de temperatuur is een afname van de kinetische energie van de moleculen. Bij het nulpunt graden is deze energie 0 en staan de deeltjes effectief stil. Maar electronen draaien in dit geval ook nog om de kernen, toch? Is het mogelijk dat er nog meer energie onttrokken wordt aan het systeem zodat zelfs dit verbroken wordt?

Ik heb op internet wat ge-googled, maar kon weinig concreets vinden, alleen een intussen opgeheven ThinkQuest site waarop vermeld was dat de natuur wegen heeft om nog verder omlaag te gaan. Maar dan rest mij de vraag; hoe dan?

[ Voor 5% gewijzigd door Christiaan op 18-01-2003 01:52 ]

[Anoniem: 26327]

Je bedoelt kelvin i.p.v. Fahrenheit. 0 Graden Fahrenheit is namelijk -18 graden Celcius. Zoeken op kelvin gaat misschien beter werken. Lees bijvoorbeeld Negatieve absolute temperatuur?.

[ Voor 88% gewijzigd door Anoniem: 26327 op 18-01-2003 02:07 ]

[Christiaan]

Anoniem: 26327 schreef op 18 januari 2003 @ 01:50:
Bedoel je niet kelvin i.p.v. Fahrenheit?

Ik bedoelde het absolute nulpunt dus . Het is laat....

[Wokkels]

If a material
is subjected to a temperature of absolute zero (-459 degrees fahrenheit or
459 degrees below zero) and no other energy is present, there will theoreticlly
be no electron movement.

http://ourworld.compuserv...es/boyce_smith/diodes.htm

electronen bewegen theoretisch gezien niet meer op het absolute nulpunt, dus valt er ook niet meer energie uit te trekken. Volgens mij kan het dus niet.

[ Voor 11% gewijzigd door Wokkels op 18-01-2003 02:04 ]

[Anoniem: 37135]

Wat het niet Einstein die had bewezen dat dat niet kon??

ik bedoel, de moleculen staan stil, als je dan doorredeneerd bij het lager worden van de temp, dan zou dat betekenen dat de moluculen achteruit zouden moeten gaan bewegen. Volgens mij is dit onmogelijk.

Maar om ook even in te haken op je opmerking over de electronen die dan nog bewegen. Die beweging is niet afhankelijk van de temperatuur denk ik.... Zou dit wel het geval zijn, en je kunt het bewijzen, dan kom je zeker in de geschiedensboeken......

Tis nu te laat om er over na te denken, maar als iets me te binnen schiet, dan meld ik het..... voor nu... WELTRUSTEN

[Anoniem: 26327]

Volgens NASA: Temperature in Space kan het in ons heelal zelfs nergens lager dan 2.7 kelvin i.v.m. met de altijd aanwezige microgolven.
Al zijn op aarde lagere temperaturen gehaald van 20 mK.

[ Voor 197% gewijzigd door Anoniem: 26327 op 18-01-2003 02:55 . Reden: dacht dat link het niet meer deed, maar het lag aan mij(n verbinding/computer), dus site deed het wel, mijn tekst weer teruggezet.... ... ]

[MIster X]

Wokkels schreef op 18 januari 2003 @ 01:59:

http://ourworld.compuserv...es/boyce_smith/diodes.htm

electronen bewegen theoretisch gezien niet meer op het absolute nulpunt, dus valt er ook niet meer energie uit te trekken. Volgens mij kan het dus niet.

Elektronen staat NIET stil bij het absolute nulpunt, anders zou het atoom instorten.

Vlak voor die uitspraak wordt gezegd: "Several times energy has been mentioned as being a requirement for moving electrons from atom to atom in a material. " Er is energie nodig om een elektron van het ene naar het andere atoom te laten springen. Elektronen staan blijkbaar 'stil' in de zin dat ze bij 'hun eigen' atoom blijven.

Juist boven het absolute nulpunt (4 K ?) is er sprake van supergeleiding, waarvoor je toch zeker wel bewegende elektronen nodig hebt.

Kun je energie onttrekken aan stilstaande atomen? Kernenergie is dan toch nog steeds mogelijk? Maar daar komt dan weer zoveel energie bij vrij dat het systeem ogenblikkelijk de vrijgekomen warmte zal absorberen. Sowieso moet je om energie te onttrekken, een proces in beweging zetten. En die beweging op zich zal al voor een temperatuurverhoging zorgen.

[ Voor 8% gewijzigd door MIster X op 18-01-2003 02:39 ]

[almightyarjen]

Anoniem: 26327 schreef op 18 januari 2003 @ 02:16:
Volgens NASA: Temperature in Space kan het in ons heelal zelfs nergens lager dan 2.7 Kelvin i.v.m. met de altijd aanwezige microgolven.

Zit wel logica in ja... Dat is hetzelfde als dat je een glas water in het vriesvak zet als dat vriesvak precies -20 Celsius is: het ijs dat vormt in het glas zou nooit -20 kunnen worden omdat er geen energie bij het systeem wordt gedaan. Hetzelfde met het opladen van een condensator: Uc=1-e^-t/RC, de condensatorspanning zal nooit gelijk worden aan de spanning van de voedingsbron. Zo zal ergens een plek in het heelal alijd "last" hebben van een ster die warmte afgeeft.

En idd: bij 0 K staan de elektronen ook stil (volgens de post hierboven weer niet... ), dus daar valt geen energie uit te halen. Maar elektronen, protonen en neutronen bestaan ook weer uit deeltjes, hoe heten ze ook alweer, misschien dat die nog enige activiteit laten zien

[ Voor 3% gewijzigd door almightyarjen op 18-01-2003 02:35 ]

[MIster X]

Yiu had zelf z'n post terecht al weggehaald. In laboratoria heeft men temperaturen vlak boven het absolute nulpunt benaderd, op een fractie van duizendsten. Om het in de vergelijking van almightyarjen uit te drukken: in het vriesvak van 2,7 K staat een laboratorium van 0,000.000.000.28 K met een glas water

[Anoniem: 50426]

Quarks bedoel je (kleinste basisdeeltje).
Rechts- en links draaiende kwark wel te verstaan

[Confusion]

ChristiaanVerwijs schreef:
Bij het nulpunt graden is deze energie 0 en staan de deeltjes effectief stil.

Dit is onjuist. Bij 0K hebben alle deeltjes de zogenaamde nulpuntsenergie. Voor electronen is dit de laagst mogelijke toestand waarin het in het systeem kan zitten.

Is het mogelijk dat er nog meer energie onttrokken wordt aan het systeem zodat zelfs dit verbroken wordt?

Nee, deze energie is niet aan de deeltjes te onttrekken.

Er is wel een manier om aan een systeem een negatieve absolute temperatuur toe te kennen, maar dit is een gevolg van de definitie van temperatuur en komt bijvoorbeeld voor in bepaalde systemen waarin deeltjes nog slechts de spin als vrijheidsgraad hebben.

[Skaah]

Je kan toch überhaupt niet op het absolute nulpunt komen omdat dan het onzekerheidsprincipe niet meer geld? Je weet dan zowel de snelheid als de plek van de electronen, wat volgens dat pricipe niet mag...

[Confusion]

Skaah schreef:
Je kan toch überhaupt niet op het absolute nulpunt komen omdat dan het onzekerheidsprincipe niet meer geld? Je weet dan zowel de snelheid als de plek van de electronen, wat volgens dat pricipe niet mag...

Nee. Aangezien de deeltjes nog bewegen, geldt het onzekerheidsprincipe ook bij 0K nog. Overigens is 0K in de praktijk inderdaad niet te bereiken. Het wereldrecord staat geloof ik op enkele milliKelvin.

[Anoniem: 9942]

Christiaan: Lees het stukje in de FAQ eens: Wat is temperatuur?

[Anoniem: 10358]

W&L'ers ken uw FAQ. In de FAQ staat hier al een kort stukje over bij Wat is temperatuur?

Op de Usenet Physics FAQ staat ook een stukje: Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?
Negatieve temperaturen bestaan dus, maar dat komt omdat temperatuur niet gedefinieerd is als de beweging van deeltjes.

Hier nog een stukje gecopy-paste voor de luie mensen onder ons:

So we have created a system where, as we add more and more energy, temperature starts off positive, approaches positive infinity as maximum entropy is approached, with half of all spins up. After that, the temperature becomes negative infinite, coming down in magnitude toward zero, but always negative, as the energy increases toward maximum. When the system has negative temperature, it is hotter than when it is has positive temperature. If you take two copies of the system, one with positive and one with negative temperature, and put them in thermal contact, heat will flow from the negative-temperature system into the positive-temperature system.

[Christiaan]

Anoniem: 9942 schreef op 18 januari 2003 @ 11:38:
Christiaan: Lees het stukje in de FAQ eens: Wat is temperatuur?

Hmm, dat was dan weer de enige bron die ik niet van tevoren gecontroleerd had. Bedankt - er staan veel antwoorden in op vragen waar we antwoorden voor zochten. Rest mij de vraag; is dit ooit in een lab gebeurd (lijkt me praktisch onmogelijk - maar wie weet)? in de FAQ staat dat het theoretisch mogelijk is - maar zijn er aanwijzingen dat dat deel van de theorie klopt.

edit:

Excuses voor het niet raadplegen van de FAQ. Beetje onhandig weer

[ Voor 12% gewijzigd door Christiaan op 18-01-2003 11:59 ]

[Anoniem: 9942]

Dat klopt wel. Het illustreert echter dat temperatuur niet zo'n gemakkelijk begrip is als je denkt dat het is. Een negatieve temperatuur is dan ook niets vreemds, zolang je het maar niet gaat associëren met achteruit bewegende deeltjes of iets dergelijks - Want dat berust op een verkeerde voorstelling van zaken van het begrip temperatuur. De voorstelling van zaken dat temperatuur een synoniem is voor gemiddelde bewegingsenergie van deeltjes werkt vrij aardig voor onze macroscopische omgeving, maar gaat niet op als we gaan meten aan labopstellingen waarin zich totaal andere systemen bevinden.

[Anoniem: 6921]

Sorry maar temperatuur heeft met entropie te maken, het is toevallig dat de systemen hier meer kinetische energie hebben als ze een hogere temperatuur hebben.

Er bestaat ook zoiets als negatieve temperatuur, meer dan oneindig temperatuur (magnetische koeling bijvoorbeeld). Deze system blijven maar energie afgeven en nemen niks op.
Er zijn ook system waarbij de temperatuur daalt als er energie wordt toegevoegd. Dus met kinetische energie heeft temperatuur niks te maken.

En of je echt lager kan dan 0 k weet ik niet, zover ben ik nog niet bij het vak thermodynamica.

defenitie temperatuur voor de belangstellende:

de reciproke waarde van de differentiaal van entropie naar energie met constant volume en aantal deeltje.

[_Thanatos_]

Ik heb altijd geleerd dat als een deeltje boven het absolute nulpunt ligt, dat het trilt. Die trilling zouden wij dan ervaren als warmte. Met die wetenschap zou het dus logisch moeten zijn dat een deeltje niet langzamer kan trillen dan wanneer ie stilstaat (0K dus), omdat trillen maar één 'kant' op kan.

en Yiu: het is idd best mogelijk om temps lager dan 2,7K te halen, maar niet met conventionele koeling; we kunnen dit alleen bereiken met lasers.

[ Voor 2% gewijzigd door _Thanatos_ op 20-01-2003 00:42 . Reden: typo ]

[Anoniem: 8386]

Zoals dus in mijn stukje in de FAQ staat. Er bestaan negatieve tmepraturen, maar deze zijn "warmer" dan positieve tempraturen in de zin dat ze uit zich zelf warmte afgeven aan systemen met een positive tempratuur. Experimenteel moet dit overigens niet al te moeilijk te zijn aan te tonen. Dus dit zal wel gedaan zijn. Het simpelste voorbeeld van een systeem waarin negatieve Tempratuur kan optreden is een paramagneet. Simplel je plaatst de paramagneet in een magneetveld, totdat deze gemagnetiseerd is in de richting van het veld, dan verwissel je de polariteit van het magneet veld, en voila je hebt theoretisch een systeem met negatieve tempratuur. Dit vast weleens geprobeert zijn.

Verder het is (volgens de huidige inzichten) onmogelijk om iets onder 0 K te koelen. Dit wordt gegarandeert door de derde hoofdwet.

[Anoniem: 13317]

_Thanatos_ schreef op 20 January 2003 @ 00:42:
Ik heb altijd geleerd dat als een deeltje boven het absolute nulpunt ligt, dat het trilt. Die trilling zouden wij dan ervaren als warmte. Met die wetenschap zou het dus logisch moeten zijn dat een deeltje niet langzamer kan trillen dan wanneer ie stilstaat (0K dus), omdat trillen maar één 'kant' op kan.

en Yiu: het is idd best mogelijk om temps lager dan 2,7K te halen, maar niet met conventionele koeling; we kunnen dit alleen bereiken met lasers.

Dan zou je dus wel een negatieve trilling kunnen hebben om die trilling uit te schakelen (zie: geluid). Dat zou betekenen dat wanneer je 2 deeltjes van dezelfde temperatuur hebt je ertussenin het absolute nulpunt hebt. toch?

[Anoniem: 6921]

Anoniem: 8386 schreef op 20 January 2003 @ 11:16:
Zoals dus in mijn stukje in de FAQ staat. Er bestaan negatieve tmepraturen, maar deze zijn "warmer" dan positieve tempraturen in de zin dat ze uit zich zelf warmte afgeven aan systemen met een positive tempratuur. Experimenteel moet dit overigens niet al te moeilijk te zijn aan te tonen. Dus dit zal wel gedaan zijn. Het simpelste voorbeeld van een systeem waarin negatieve Tempratuur kan optreden is een paramagneet. Simplel je plaatst de paramagneet in een magneetveld, totdat deze gemagnetiseerd is in de richting van het veld, dan verwissel je de polariteit van het magneet veld, en voila je hebt theoretisch een systeem met negatieve tempratuur. Dit vast weleens geprobeert zijn.

Verder het is (volgens de huidige inzichten) onmogelijk om iets onder 0 K te koelen. Dit wordt gegarandeert door de derde hoofdwet.

Een paramagneet is idd een voorbeeld van een negatieve temperatuur. Dit is in 1954 voor het eerst gedaan.

Voro de geinteresseerde. De derde hoofdwet zegt dan als de T => 0 gaat de Cv => 0 en S =>
De entropie (S) is eigenlijk niet 0 bij 0 kelvin. Dit heeft te maken met bv de spin van elektronen.

[Anoniem: 6921]

Anoniem: 13317 schreef op 20 januari 2003 @ 12:11:
[...]

Dan zou je dus wel een negatieve trilling kunnen hebben om die trilling uit te schakelen (zie: geluid). Dat zou betekenen dat wanneer je 2 deeltjes van dezelfde temperatuur hebt je ertussenin het absolute nulpunt hebt. toch?

Onzekerheids principe van Heisenberg is hier dus dit gaat niet.

[MIster X]

Wie kan voor deze simpele ziel nog eens herhalen hoe het eigenlijk in elkaar zit, natuurkunde is alweer een paar jaartjes geleden: gaan deeltjes trillen vanwege een verhoogde temperatuur of ervaren (en meten) wij het verhevigde trillen van deeltjes als toegenomen warmte? Voor straling heb je geen medium nodig, geen deeltjes, terwijl de deeltjes die stralingsenergie opnemen warmer worden. Daaruit leidt ik af de trilling van deeltjes van de energie afhankelijk is en niet andersom. Is het dan niet ook makkelijker te begrijpen waarom het kouder dan 0 K kan worden? Het kan wel kouder worden, maar het heeft geen invloed meer op de trilling van de deeltjes. Of zit ik nu uit m'n nek te kletsen?

Edit: 'k zie dat _Thanatos_ dergelijke gedachten ook al aandroeg...

[ Voor 7% gewijzigd door MIster X op 20-01-2003 23:42 ]

[mcb1]

Als er nog kleinere deeltjes zouden zijn, dan zouden die nog energie kunnen bevatten. en zou een temperatuur lager kunnen zijn dan 0 kelvin. 0 kelvin is toch gebaseerd op atomen, niet op nog kleinere deeltjes?
vind het idee van MIster X niet zo slecht!

[EdwinG]

Misschien een beetje domme reactie, maar het absolute nulpun wat toch altijd de laagst mogelijke temperatuur?
Dan zou als er een lagere temperatuur wordt bereik, dat automatisch het nieuwe "absolute" nulpunt moeten worden.
Dan is dat punt alleen niet meer gelijk aan 0 graden Kelvin.
Of is dit een compleet verkeerde manier van denken?

[mcb1]

Daar heb je gelijk in EdwinG. Maar het gaat erom dat er nog kleinere deeltjes dan atomen zijn. Misschien is er wel helemaal geen absoluut nulpunt!

[Anoniem: 8386]

Voor de mensen die zich nog afvragen wat tempratuur is: lees de FAQ. Dat verhaal is vrij technisch, maar tempratuur is ook een vrij lastig begrip. In principe is het absolute nulpunt, de koudst mogelijke tempratuur. Overigens is het onomogelijk deze tempratuur te bereiken (door o.a. de onzekerheidsrelaties van heisenberg), er zijn alleen een aantal bijzondere systeem, die je zou kunnen beschouwen als hebbende tempratuur nul. (Met name laserlicht en misschien ookwel Bose-Einstein condensaten (nobelprijs 2001)

[Confusion]

EdwinG schreef op 21 januari 2003 @ 14:01:
Misschien een beetje domme reactie, maar het absolute nulpun wat toch altijd de laagst mogelijke temperatuur?

Niet de laagst mogelijke temperatuur in de praktijk, maar de laagst mogelijke temperatuur in theorie.

Of is dit een compleet verkeerde manier van denken?

De ligging van het absolute nulpunt is een waarde die ge-extrapoleerd is uit vele tienduizenden metingen van de afgelopen eeuwen. Het punt ligt vast; ongeacht het getal dat we eraan toekennen.

[Anoniem: 10358]

Je iets niet laten afkoelen tot een temperatuur lager dan 0 kelvin. Om negatieve temperaturen te bereiken moet je een systeem hebben waarbij op een gegeven moment de entropie daalt als je energie toevoegd. Als je bij 0 zou beginnen in zo'n systeem zou eerst de temperatuur stijgen tot oneindig en dan ineens -oneindig worden en stijgen tot 0. Negatieve temperaturen zijn dus heter dan positieve temperaturen en warmte zal dan ook van negatief naar positief stromen. Voor een betere uitleg kijk naar de links die al gegeven zijn in dit topic.

[Anoniem: 76691]

Ik heb altijd geleerd dat volume afneemt met temperatuur en dat bij het absolute nulpunt het volume 0 (nul) is. Dit is niet mogelijk omdat bij een volume van 0 een stof niet kan bestaan. Het zal immers plaats moeten innemen, hoe klein het ook is.

Misschien maak ik een denkfout, maar ik hoor graag jullie mening...

BaZ

[Confusion]

B.a.Z schreef:
Ik heb altijd geleerd dat volume afneemt met temperatuur en dat bij het absolute nulpunt het volume 0 (nul) is. [..]
Misschien maak ik een denkfout, maar ik hoor graag jullie mening...

Je maakt een denkfout: het volume van een materiaal is niet 0 wanneer de temperatuur van dat materiaal 0K is. Metaal krimt als je het afkoelt, maar zeker niet lineair met de abolute temperatuur.

[Avalanchez]

op een temp van 0K stort de stof toch in elkaar? -> elektronenwolk valt op kern

[jevn]

Anoniem: 26327 schreef op 18 januari 2003 @ 02:16:
Volgens NASA: Temperature in Space kan het in ons heelal zelfs nergens lager dan 2.7 kelvin i.v.m. met de altijd aanwezige microgolven.
Al zijn op aarde lagere temperaturen gehaald van 20 mK.

Ja, maar dan heb je het over op aarde; waar nog een laagje om heen zit, genaamd de dampkring.

Die 2,7 kelvin is de achtergrond straling van de oerknal. De berekening weet ik niet meer maar het is dus aantoonbaar. Die straling is mogelijk op aarde dus in veel beperktere mate aanwezig; door stoffen die die straling tegenhouden.

[Anoniem: 6797]

Die achtergrond straling is ongetwijfeld wel tegen te houden als je het ergens kouder wilt maken. Laatst nog een interessant verhaal ergens gelezen, dat door wat quantumeffecten (zou zo even niet meer weten hoe en wat) kon het in een systeem plaatselijk wel kouder worden dan 0K. Dit is dus echter plaatselijk, en voor een compleet systeem goldt nog steeds dat de temperatuur wel positief bleef. Erg leuk stukje wel, zal eens zoeken of ik het nog ergens kan vinden

[Jappo112]

Je zou dit volgens filosofie wetten kunnen binden aan de 4de dimensie (tijd) en bij het absolute nulpunt is mijn theorie dat er geen tijd meer is, de 4de demensie valt weg. Mocht je dus onder het absolute nulpunt komen, dan keert de 4de demensie terug alleen andersom waardoor je "teruggaat". Nu hoor ik iedereen denken: hij spoort niet maar denk er maar eens over na. Het is natuurlijk ook maar de vraag of wij ooit het absolute nulpunt zullen bereiken (is niet benaderen met een afwijking van 0.002 C).

[MSalters]

Avalanchez schreef op 23 January 2003 @ 20:24:
op een temp van 0K stort de stof toch in elkaar? -> elektronenwolk valt op kern

Nee, de banen van elektronen hebben niet zo gek veel met temperatuur te maken. Bij hoge temperaturen wil een elektron wel eens naar een hogere baan schieten, maar de onderliggende baan blijft beschikbaar. De terugval geeft dan een foton, en daarom geeft vuur dus licht.

[Lord Daemon]

jappo112 schreef op 07 July 2003 @ 00:34:
Nu hoor ik iedereen denken: hij spoort niet maar denk er maar eens over na.

* Anoniem: 9850 Daemon denkt er nog eens over na.

Hm, nee, ik denk eigenlijk nog steeds dat je niet spoort. Ik begrijp er niets van hoe tijd innig verbonden zou zijn met temperatuur. (Overigens laten de relativiteitstheorieen niet zo veel heel van het idee dat ruimte en tijd afzonderlijk bestaan, dus wat ik me moet voorstellen bij het idee dat alleen de tijd wegvalt zie ik ook niet meteen.)

[ Voor 17% gewijzigd door Lord Daemon op 07-07-2003 12:45 . Reden: Het was al laat. ;) ]

[Anoniem: 55933]

Lord Daemon schreef op 07 July 2003 @ 01:02:
[...]
[me=9850]Daemon denkt er nog eens over na.[\me]
(UH?! Sinds wanneer werken me-tags niet meer, of ben ik heel dom en doe ik iets fout?)

* Anoniem: 9850 Daemon denkt er nog eens over na.
Het is al laat, maar je moet / ipv \ gebruiken

[Anoniem: 27784]

MIster X schreef op 18 January 2003 @ 02:30:
Elektronen staat NIET stil bij het absolute nulpunt, anders zou het atoom instorten.

Aan de andere kant: het absolute nulpunt is in praktijk niet haalbaar.
We kunnen dus niet testen wat er met electronen gebeurt bij het absolute nulpunt.

[Lord Daemon]

Anoniem: 27784 schreef op 07 July 2003 @ 12:14:
Aan de andere kant: het absolute nulpunt is in praktijk niet haalbaar.
We kunnen dus niet testen wat er met electronen gebeurt bij het absolute nulpunt.

Het hele beeld dat elektronen rondjes om de kern heen draaien is volstrekt onhoudbaar binnen de quantummechanica. Een vraag als: "storten de electronen op de kern bij het absolutle nulpunt?" is niet zozeer een vraag waarop het antwoord "nee" luidt, maar eerder een vraag zonder betekenis.

[Anoniem: 3747]

Lord Daemon schreef op 07 juli 2003 @ 12:46:
[...]
Het hele beeld dat elektronen rondjes om de kern heen draaien is volstrekt onhoudbaar binnen de quantummechanica. Een vraag als: "storten de electronen op de kern bij het absolutle nulpunt?" is niet zozeer een vraag waarop het antwoord "nee" luidt, maar eerder een vraag zonder betekenis.

Correct. In dit soort verklaringen wordt er altijd vanuit gegaan dat een electron een deeltje is. In veel gevallen moet je een electron echter meer als een golf beschouwen. Dit verklaart bijvoorbeeld veel beter waarom electronen aan het Pauliverbod moeten voldoen (geen electronen in hetzelfde orbitaal met dezelfde spin).
En wat is nou een golf die stilstaat? Die analogie gaat helemaal niet op in de quantummechanica.

[sebas82]

Heike Kamerlingh Onnes (Mijn Oud oom), is als eerste het dichtst bij het absolute nul punt gekomen, 2,2 graden boven het absolute nul punt

Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) leidde als een van de eersten een grootschalig wetenschappelijk project. Zijn lijfspreuk was 'van meten tot weten'. Zijn doel was het koudste plekje op aarde te maken. In Leiden vestigde hij een laboratorium en een instrumentmakerschool waarin een groot team werkte onder een nauwgezet programma.
Aan het einde van de negentiende eeuw maakten Europese onderzoeksgroepen de permanente gassen zuurstof en stikstof vloeibaar. Ze pompten hiervoor de damp boven vloeistoffen weg. Andere onderzoekers persten gassen samen, koelden het samengeperste gas af en lieten het uitzetten. Zuurstof en stikstof werden vloeibaar bij 126 graden Celsius boven het absolute nulpunt.
In 1896 maakten Britse onderzoekers ook waterstof vloeibaar. Ze lieten samengeperst waterstof hiervoor uitzetten in een vacuümbuis, zonder dat dit warmte met zijn omgeving uitwisselde. Zo haalden ze een temperatuur van 12 graden Celsius boven het absolute nulpunt. Helium was nu nog het enige permanente gas dat nooit vloeibaar was gemaakt.
Kamerlingh Onnes kon in zijn laboratorium rond 1900 al zo'n 2 tot 3 liter vloeibaar waterstof per uur maken. Hij liet zijn broer grote hoeveelheden monazietzand uit Brazilië importeren, waaruit bij elkaar 360 liter helium kon worden gestookt. Op 10 juli 1908 slaagde hij erin hieruit ongeveer een deciliter helium vloeibaar te maken door het herhaaldelijk uit te laten zetten in vacuüm.
Dit opende een wereld van nieuwe verschijnselen. Zo stelde Kamerlingh Onnes in 1911 met zijn onderzoeksteam vast dat in zeer koud kwik, tin en lood stromen lopen die niet in sterkte afnemen (supergeleiding). Dit verschijnsel is pas in de jaren vijftig verklaard.
Nog later bleken heliumatomen bij hele lage temperaturen niet stil te gaan staan. Beneden 2,2 graden Celsius boven het absolute nulpunt wordt helium juist extreem vloeibaar. Zo kruipt het zonder wrijving door elk gat.
Momenteel beschikt bijna ieder laboratorium over een apparaat waarmee vloeibaar helium kan worden gemaakt. Vloeibare permanente gassen worden gebruikt in raketmotoren, in ademhalingspakken om te overleven in de diepzee en op planeten en bij het invriezen van voedingsmiddelen. Hierdoor kunnen veel meer voedingsmiddelen over de wereld worden vervoerd. Stromen zonder weerstand hebben geleid tot medische scanners en de zweeftrein.

[Mx. Alba]

Kan iemand mij dat van die paramagneet uitleggen? Ik zie niet in hoe de temperatuur negatief kan worden door het omdraaien van het magneetveld?

[Lord Daemon]

Mx. Alba schreef op 08 July 2003 @ 11:25:
Kan iemand mij dat van die paramagneet uitleggen? Ik zie niet in hoe de temperatuur negatief kan worden door het omdraaien van het magneetveld?

Beschouw een systeem van N magnetische dipolen in een vast raster. Bovendien versimpelen we de werkelijkheid nog door te doen alsof ze precies twee toestanden kunnen aannemen: met het externe magneetveld mee, of tegen het externe magneetveld in. Staan ze met het magneetveld mee, dan hebben ze een energie -x, staan ze er tegen in, dan hebben ze een energie x.

Het idee is nu dat de entropie van het systeem toeneemt als de multiplicteit toeneemt. Als van de N dipolen er m met het magneetveld mee staan, is de multipliciteit: N! / (m! * (N-m)!) De multipliciteit is dus het hoogste als m = 1/2 N, en wordt lager zowel als m dicht naar 0 nadert, als wanneer hij dicht naar N nadert.

Temperatuur is gedefinieerd (een dubieuze claim, maar ik neem 'm even over) als dU/dS. Laten we nu m naar 0 gaan, dan wordt de energie van het systeem hoger, maar de entropie lagert. Ergo, het systeem heeft een negatieve temperatuur.

De paramagneet is een uitwerking hiervan.

[Anoniem: 29349]

Andere insteek: onder het absolute nulpunt kun je niet komen. Mocht je onder een punt komen wat als absoluut nulpunt geld moet je her-ijken en dat nieuwe punt als absoluut nulpunt nemen

_{tot zover mijn bijdrage aan w+l}

[Anoniem: 8386]

Lord Daemon schreef op 08 July 2003 @ 12:07:
Temperatuur is gedefinieerd (een dubieuze claim, maar ik neem 'm even over) als dU/dS.

De claim kwam van mij en komt uit "Thermal Physics" van Schroeder. Zelfs als je dit niet als definitie accepteert. (maar liever iets doet warmte capiciteit of zo) Dan volgt het nog steeds als eigen schap uit de thermodynamische identiteit:

dU = TdS - PdV + mu dN.

Dit impliceert namelijk:

T = dU/dS (bij konstant volume V en aantal deeltjes N.)

Nog ff een andere insteek.
In feit is een logischere grootheid dan T, 1/T. Oftewel dS/dU. Dit zou je kunnen beschrijven als de energie hebberigheid van een systeem. In deze optiek zijn grotere waarden van 1/T kouder. 0 Kelvin komt niet voor op deze schaal, maar ligt in het oneindige. (Dit laat gelijk zien, dat je nooit kouder dan nul kelvin kan komen en zelfs dat nul kelvin onberijkbaar is.) Ook wordt in deze optiek meteen duidelijk waarom negatieve tempraturen zo warm zijn.

(voor de mensen die liever hoge waarden warm willen laten zijn: je kan natuurlijk ook gewoon -1/T bekijken.)

[ Voor 38% gewijzigd door Anoniem: 8386 op 08-07-2003 12:36 ]

[Rey Nemaattori]

ChristiaanVerwijs schreef op 18 January 2003 @ 11:51:
[...]


Hmm, dat was dan weer de enige bron die ik niet van tevoren gecontroleerd had. Bedankt - er staan veel antwoorden in op vragen waar we antwoorden voor zochten. Rest mij de vraag; is dit ooit in een lab gebeurd (lijkt me praktisch onmogelijk - maar wie weet)? in de FAQ staat dat het theoretisch mogelijk is - maar zijn er aanwijzingen dat dat deel van de theorie klopt.

edit:

Excuses voor het niet raadplegen van de FAQ. Beetje onhandig weer

* Rey Nemaattori stuurt CV naar de hoek

!Schaam je!

[Chello200]

Is er een relatie met 'negative energy' ?

[Varienaja]

Anoniem: 29349 schreef op 08 juli 2003 @ 12:22:
Andere insteek: onder het absolute nulpunt kun je niet komen. Mocht je onder een punt komen wat als absoluut nulpunt geld moet je her-ijken en dat nieuwe punt als absoluut nulpunt nemen

Hehehe, ik wou dat ze dat ook op bankrekeningen gingen toepassen. :-P

Vandaag ben ik druk bezig om m'n boerenverstand te gebruiken, dus hier gaan we weer. Je had het in je verhaal over energie die je nog zou kunnen onttrekken aan de electronen wanneer het atoom zelf al tot op het absolute nulpunt was gekoeld. Ik denk dat je hiermee twee verschillende dingen bij elkaar op probeert te tellen. Ik denk niet dat de temperatuur omlaag gaat wanneer je electronen langzamer rond de kern laat bewegen (ten eerste kan het niet omdat de 'banen' van de electronen om de kern op vaste afstanden liggen, ten tweede omdat warme wordt gedefinieerd als trilling van het atoom; de beweging van het electron heeft er niets mee te maken. Bovendien zou je logischerwijs verwachten dat alleen het buitenste electron uberhaupt iets met de totale warmte van het atoom te maken zou kunnen hebben).

Ter verduidelijking: een trein gaat niet nog stiller staan als je de rails onder 'm weghaalt. (beetje wazige vergelijking)

[ Voor 3% gewijzigd door Varienaja op 08-07-2003 21:54 ]

[Anoniem: 8386]

Chello200 schreef op 08 July 2003 @ 21:38:
Is er een relatie met 'negative energy' ?

Als een toename van negatieve energie gepaart gaat met toename van de entropie, dan heeft een dergelijk systeem inderdaad negatieve tempratuur, ja.

Overigens, negatieve energie?

[Anoniem: 10358]

Varienaja schreef op 08 juli 2003 @ 21:53:
Vandaag ben ik druk bezig om m'n boerenverstand te gebruiken, dus hier gaan we weer. Je had het in je verhaal over energie die je nog zou kunnen onttrekken aan de electronen wanneer het atoom zelf al tot op het absolute nulpunt was gekoeld. Ik denk dat je hiermee twee verschillende dingen bij elkaar op probeert te tellen. Ik denk niet dat de temperatuur omlaag gaat wanneer je electronen langzamer rond de kern laat bewegen (ten eerste kan het niet omdat de 'banen' van de electronen om de kern op vaste afstanden liggen, ten tweede omdat warme wordt gedefinieerd als trilling van het atoom; de beweging van het electron heeft er niets mee te maken. Bovendien zou je logischerwijs verwachten dat alleen het buitenste electron uberhaupt iets met de totale warmte van het atoom te maken zou kunnen hebben).

Bij zaken waar de omstandigheden erg ver van de dagelijkse omstandigheden liggen heb je weinig aan boerenverstand. Dit soort situaties zijn tegenintuïtief net zoals veel zaken in quantummechanica en relativiteitstheorie.

[Mx. Alba]

Bij een temperatuur van 0K liggen de atomen helemaal stil, en bevinden alle electronen zich in de laagst mogelijke banen.

Electronen kunnen niet stil gaan staan. Ze kunnen zowiezo ook niet langzamer of sneller rond de kern bewegen. Electronen bewegen altijd op de zelfde snelheid, en zijn wat dat betreft net golven...

Wat een betere maat is om te bekijken, zoals imand al eerder zei, is niet de temperatuur T, maar het "energieabsorbtievermogen" 1/T.

1/T = +oneindig (T = +0K) : Oneindig positief energieabsorbtievermogen. Alle mogelijke energie wordt direct opgenomen. Vandaar dat een temperatuur van 0K onbereikbaar is: het is een asymptoot!

1/T = positief (T = positief) : Positief energieabsorbtievermogen. Er kan energie worden opgenomen, en ook worden afgegeven.

1/T = 0 (T = oneindig) : Geen energieabsorbtievermogen. In principe kan er geen energie meer opgenomen worden. Daarentegen wordt er wel energie afgegeven - waardoor 1/T uiteraard weer stijgt.

1/T = negatief (T = negatief) : Negatief energieabsorbtievermogen. Dit wordt verkregen door vanaf 1/T=0 toch nog energie toe te voegen. Als 1/T negatief is, wordt er nog slechts energie afgegeven. Het is werkelijk heter dan heet!

1/T = -oneindig (T = -0K) : Oneindig negatief energieabsorbtievermogen. Volgens mij wil je zoiets niet creëren behalve als je een death wish hebt, en je hele planeet ook

Blijft de vraag: hoe voeg je aan een object met 1/T=0 nog meer energie toe? Het wil immers in principe geen energie meer opnemen! En als 1/T eenmaal negatief is, wordt dat probleem alleen maar groter...

[Anoniem: 10358]

Mx. Alba schreef op 09 juli 2003 @ 10:20:
Bij een temperatuur van 0K liggen de atomen helemaal stil, en bevinden alle electronen zich in de laagst mogelijke banen.

Volgens mij ligt ook het atoom niet helemaal stil, want dit gaat weer in tegen het heisenberg onzekerheidsprincipe. Het atoom met elektronen gedragen zich als een golf.

[Mx. Alba]

Anoniem: 10358 schreef op 09 juli 2003 @ 10:25:
Volgens mij ligt ook het atoom niet helemaal stil, want dit gaat weer in tegen het heisenberg onzekerheidsprincipe. Het atoom met elektronen gedragen zich als een golf.

Hier wordt het Heisenbergprincipe niet helemaal gesnapt

Het Heisenbergprincipe geeft aan dat je nooit én de snelheid én de plaats van een partikel met zekerheid kunt weten. Als je de één met zekerheid weet, zit in de ander een onbekendheid.

Neem een atoom met een temperatuur van 0K. Je weet met absolute zekerheid dat hij stilstaat. Maar je weet niet precies waar hij is. Hoe kan je detekteren waar een atoom zich bevind? Door hem op een of andere manier te bekijken. En daarvoor vuur je er fotonen of andere partikulen of golven op af. Maarja, dat atoom heeft een temperatuur van 0K en is dus oneindig energie-hongerig. Hij neemt dus (een deel van) die energie op die je wil gebruiken om hem te bekijken. Gevolg, je weet nu precies waar hij is, maar zijn temperatuur is niet meer 0K. Hij staat dus niet meer stil. En dus is de snelheid onbekend (en uiteraard de positie ook weer, omdat hij nu beweegt).

[Anoniem: 10358]

Mx. Alba schreef op 09 July 2003 @ 10:35:
Hier wordt het Heisenbergprincipe niet helemaal gesnapt

Het Heisenbergprincipe geeft aan dat je nooit én de snelheid én de plaats van een partikel met zekerheid kunt weten. Als je de één met zekerheid weet, zit in de ander een onbekendheid.

Neem een atoom met een temperatuur van 0K. Je weet met absolute zekerheid dat hij stilstaat. Maar je weet niet precies waar hij is. Hoe kan je detekteren waar een atoom zich bevind? Door hem op een of andere manier te bekijken. En daarvoor vuur je er fotonen of andere partikulen of golven op af. Maarja, dat atoom heeft een temperatuur van 0K en is dus oneindig energie-hongerig. Hij neemt dus (een deel van) die energie op die je wil gebruiken om hem te bekijken. Gevolg, je weet nu precies waar hij is, maar zijn temperatuur is niet meer 0K. Hij staat dus niet meer stil. En dus is de snelheid onbekend (en uiteraard de positie ook weer, omdat hij nu beweegt).

Als je niet zeker weet waar het atoom is hoe kun je dan zeker weten dat hij stil staat (we laten even buiten beschouwing dat 0K onmogelijk is). Je krijgt een soort Bose-Einsteincondensaat, je kan dus niet eens meer van een deeltje spreken en al helemaal niet van een die stil staat.

[Mx. Alba]

Anoniem: 10358 schreef op 09 July 2003 @ 10:48:
Als je niet zeker weet waar het atoom is hoe kun je dan zeker weten dat hij stil staat (we laten even buiten beschouwing dat 0K onmogelijk is). Je krijgt een soort Bose-Einsteincondensaat, je kan dus niet eens meer van een deeltje spreken en al helemaal niet van een die stil staat.

Je zegt het zelf al, 0K is onmogelijk, dus waar praten we eigenlijk over? In de praktijk zal een atoom altijd bewegen, en zal er dus geen Heisenberg-schending plaatsvinden.

Maar stel dat een atoom wel helemaal stil zou staan (temperatuur 0K), dan zou dat inderdaad niet te meten zijn. Want op het moment dat je de temperatuur van dat atoom wilt meten, zorg je ervoor dat de temperatuur van dat atoom stijgt...

We hebben het trouwens over ATOMEN die stilstaan. Een stilstaand atoom bestaat uit een kern die kan roteren met daaromheen een wolk bewegende electronen. Een materiaal op 0K is gewoon een vaste stof met een vaste atoomstructuur, geen soort van Bose-Einsteincondensaat!

[Anoniem: 8386]

Mx. Alba schreef op 09 juli 2003 @ 11:53:
We hebben het trouwens over ATOMEN die stilstaan. Een stilstaand atoom bestaat uit een kern die kan roteren met daaromheen een wolk bewegende electronen. Een materiaal op 0K is gewoon een vaste stof met een vaste atoomstructuur, geen soort van Bose-Einsteincondensaat!

Ligt er maar net aan. Als de totaale spin van de atomen heel tallig is, dan zijn het bosonen en krijgje dus een bose-einstein condensaat (alle deeltjes zitten in delaagste energie toestand). Als dat niet het geval is, zijn het fermionen en zitten alle deeltjes dus nog in een andere energie toestand. (In dit geval is bij T=0K, de gemiddelde kinetische energie van de atomen niet nul!)

[Anoniem: 8386]

Mx. Alba schreef op 09 July 2003 @ 10:20:
Blijft de vraag: hoe voeg je aan een object met 1/T=0 nog meer energie toe? Het wil immers in principe geen energie meer opnemen! En als 1/T eenmaal negatief is, wordt dat probleem alleen maar groter...

Dit kan dus alleen in systemen, waarbij de energie begrensd is. (dus waar een hoogste en een laagste energie niveau is). Het alle eerder genoemde bekende voobreeld hiervan is de paramagneet. Deze bereikt een maximale energie als alle magneet momenten tegen het externe magneet veld in gericht zijn. Maximale entropie wordt echter bereikt bij polarisatie nul. Bij maximale entropie is 1/T (per definitie) nul. Het is alleen duidelijk, dat het systeem nu nog steeds meer energie kan bevatten.
In interessant punt is overigens, dat je niet in staat bent deze energie zomaar toe toevoegen. De enige manier om de negatieve waarden voor 1/T te bereiken, is het ompolen van je magneetveld.