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Kälter als im Weltall

Thema erstellt von Uwe. 
Beiträge: 462, Mitglied seit 18 Jahren
Ich habe neulich hier http://www.focus.de/wissen/wissenschaft/astronomie/... gelesen, dass bei der Kühlung von Anlageteilen der CERN-Anlage Temperaturen zum Wirken kommen, welche noch unterhalb der Temperatur im Weltall liegen. Wie zum Teufel erzeugt man nur eine derart tiefe Temperatur auf künstlichem Weg? Weiß das jemand? Ich meine, selbst, wenn man flüssiges Helium zum Kühlen nehmen würde (oder nimmt?), muss man das ja erstmal so kalt bekommen, oder?

Ich bin sehr erstaunt...
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Dieser Beitrag wurde 666 mal geändert, zuletzt durch GOTT, morgen um 6.23 Uhr
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Beiträge: 65, Mitglied seit 16 Jahren
Die anderen Fakten sind auch nicht ohne

- 1232 Magneten erzeugen eine Anziehungskraft, die 100 000 Mal stärker ist als die der Erde.

- Im Beschleunigungsring herrscht die größtmögliche Kälte der Physik: -271,3 Grad Celsius, kälter als der Weltraum (-270,4 Grad).

- Gleichzeitig wird es bei den Atomkernkollisionen auf winzigsten Raum in kurzen Momente 100 000 Mal heißer als im Zentrum der Sonne.


Was mich interessieren würde: Warum ist -271,3 Grad Celsius die größtmöglicher Kälte? Drückt Kälte nicht dieselbe Energie durch Kontraktion aus wie Wärme durch Ausdehnung?

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Wir erleben die Welt nicht wie sie ist, sondern wie wir sind.
Beitrag zuletzt bearbeitet von Chriz Lee am 16.10.2008 um 00:32 Uhr.
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Beiträge: 3.476, Mitglied seit 18 Jahren
Hallo Uwe,
welche Techniken im einzelnen Im Cern verwendet werden, weiß ich nicht.
Was jedoch für dich interessant sein könnte:

http://de.wikipedia.org/wiki/Laserk%C3%BChlung

Ich fand´s faszinierend.




Chriz Lee schrieb in Beitrag Nr. 1273-2:
- Im Beschleunigungsring herrscht die größtmögliche Kälte der Physik: -271,3 Grad Celsius, kälter als der Weltraum (-270,4 Grad).

...

Was mich interessieren würde: Warum ist -271,3 Grad Celsius die größtmöglicher Kälte? Drückt Kälte nicht dieselbe Energie durch Kontraktion aus wie Wärme durch Ausdehnung?

[Nachricht zuletzt bearbeitet von Chriz Lee am 16.10.2008 um 00:32 Uhr]


Hallo Chriz,

die größtmögliche Kälte (Null Grad Kelvin) können wir nicht erzeugen.

Der Begriff "Wärme" beschreibt die Bewegungsenergie der Atome/Moleküle.
Bewegen sich diese nicht mehr, besitzen sie auch keine Wärmeenergie mehr. Null Bewegung - Null Wärme - Null Grad Kelvin.

Möchtest du diese Atome weiter komprimieren, musst du Energie aufwenden - welche wieder Wärme-Erzeugung bedeutet.

Null Grad Kelvin beschreibt also den Zustand absoluter Bewegungslosigkeit der Atome. Weniger als gar nicht bewegen geht nicht; das wäre so, als würdest du fragen: Was ist nördlicher als der Nordpol.

Wenn ich die Unschärferelation richtig verstanden habe, ist es schon aufgrund dieser nicht möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen.
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Diese Welt gibt es nur, weil es Regeln gibt.
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Beiträge: 2.998, Mitglied seit 15 Jahren
Stueps schrieb in Beitrag Nr. 1273-3:
Wenn ich die Unschärferelation richtig verstanden habe, ist es schon aufgrund dieser nicht möglich, den absoluten Nullpunkt zu erreichen.

Kälte ist letztendlich das Fehlen von Wärme. Man Kälte nur erzeugen, indem man Wärme entzieht und Wärme fließt bekanntlich nur vom wärmeren zum kühleren Körper.

Daher müßte man, um -273,15 Grad Celsius zu erzeugen diesen in Kontakt mit einer Temperatur von mindestens -273,15000.....0001 Grad Celsius bringen, und diese Temperatur gibt es bekanntlch nicht.

Das kühlende Medium muß immer kälter sein, als das gekühlte.

Das gleiche gilt auch für das absolute Vakuum. Ein Gas kann immer nur von einem Raum mit höherem Druck in einen Raum mit niedrigerem Druck strömen. Das heißt, die saugende Pumpe müßte einen Druck erzeugen, der unter Vakuum liegen würde, und das geht nicht.

Selbst wenn es uns gelingen würde, was wissenschaftlich unmöglich ist, so würde ein einziges im Raum verbleibendes Atom ziellos umherirren bis es, nach der besagten Unschärferelation, also einer Art Zufall den Ausgang finden würde, oder auch nicht

Eine anschauliche Demo für die erklärung was Wärme ist unter
http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/temperature.htm

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Der Erfahrene erkennt, dass er nicht alle Probleme lösen kann
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Beitrag zuletzt bearbeitet von Hans-m am 16.10.2008 um 08:45 Uhr.
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Beiträge: 1.642, Mitglied seit 16 Jahren
Hallo Zeitgenossen,

was ich in Bezug auf Wärme noch nicht verstanden habe ist Folgendes:

Wärme ist im Prinzip nichts anderes als molekulare (atomare) Bewegung, also eine bestimmte Form kinetischer Energie im "Teilchenbereich". Kann auch ein einzelnes Teilchen, das nicht mit einem anderen Teilchen kollidiert Wärme haben ? Wenn dies der Fall ist, entspräche allein die Bewegungsenergie eines Teilchens seiner Wärme.
Bedeutet nun die niedrige Temperatur des Weltalls, die ja ein Maß für die Wärme ist, daß dort nur sehr wenige Teilchen vorhanden sind und deshalb nur wenige Kollisionen erfolgen oder bewegen sich die dort vorhandenen Teilchen nur relativ langsam, so daß die Kollisionen nicht so heftig sind ?
Kann man einem Raumbereich allein dadurch Wärme entziehen (niedrige Temperaturen erzeugen), indem man
ein Vakuum (soweit dies möglich ist) erzeugt ?
Können Lichtteilchen (Photonen) miteinader kollidieren ? Und wie hoch ist (theoretisch)die dabei entstehende Temperatur ?
Diese Fragen stelle ich mir auch deshalb, weil im Zusammnhang mit der Zeit kurz nach dem Urknall und den Verhältnissen bei der Kollision von Teilchen in Teilchenbeschleunigern immer von so irre hohen Temperaturen die Rede ist.

MfG
Harti
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Wichtig ist, dass man nicht aufhört zu fragen. A.E.
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Beiträge: 2.998, Mitglied seit 15 Jahren
Im Prinzip kann jedes Atom jede beliebige Temperatur von -273,15 oC = 0 Kelvin bis theoretisch unendlich annehmen. Die tatsächliche Temperatur ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen zugeführter Energie und abgegebener Temperatur. Sowohl die Temperatur-Aufnahme als auch die -Abgabe können auf die gleiche Weise erfolgen, z.B durch Aufnahme eines Energiequants oder Anstoßung durch ein anderes Atom.
Im Vakuum des Weltalls ist die Wärmeübertragung durch benachbarte Atome eher selten.

Hinzu kommen die so genannten adiabatischen Eigenschaften eines Gases. Erhöht man den Druck auf ein Gas, z.B durch einen Kompressor, so erhitzt sich dieses Gas, ohne daß von außen Wärme zugeführt wird. Umgekehrt kühlt es ab, wenn man es quasi absaugt, ohne das man ihm Wärme abnimmt. (Kühlschrankprinzip)

Beide Verfahren haben in etwa die gleichen Ursachen
Erhitzt man ein Gas, so dehnt es sich aus, es benötigt mehr Platz. Ist das Gas eingeschlossen, so erhöht sich dessen Druck, das Gas hat weniger Platz zur Verfügung als es benötigt.
Verdichtet man das Gas, so wird der ihm zur Verfügung stehende Raum immer kleiner, wie bei einer Luftpumpe. Auch hier hat das Gas weniger Raum zu Verfügung, als es benötigt.

In den Weiten des Weltalls ist das Gas aber nicht eingeschlossen, es hat immer den Raum zu Verfügung, den es benötigt, weil das nächste Atom extrem weit entfernt ist. Es kann die zugeführte Wärme ungehindert in eine Volumenänderung umsetzen, dadurch ist die Temperaturerhöhung nur minimal.

Siehe auch unter:
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_5/...

Harti, zu der Frage, ob Photonen miteinader kollidieren können kann ich nur die Seite
http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=970692706...
vorschlagen

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Beitrag zuletzt bearbeitet von Hans-m am 18.10.2008 um 07:59 Uhr.
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Hallo ihr Wissenshungrigen,
Ich habe alle Beiträge zu dem Thema gelesen. Ich bleibe dabei immer wieder an der Reststrahlung hängen, die die noch vorhandene Restwärme-strahlung ( Hintergrundrauschen ) gegenüber dem künstlich erreichten abso-luten Nullpunkt erklären könnte.......
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Was wir wissen ist ein Tropfen, was wir nicht wissen ist ein Ozean!
( I.Newton )
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Strahlung ist die einzige Möglichkeit, mit der im Vakuum des Universums Energie, also auch Wärme übertragen werden kann.

Die Energiemenge im Universum ist begrenzt, Das Universum jedoch expandiert ständig, so daß die Energiedichte pro Kubikmeter Raum immer geringer wird. Der Abstand zwischen den Atomen und Melekülen wird immer größer, so daß die Wahrscheinlichkeit, daß ein Energiequant ein Atom trifft, immer geringer wird. Daraus folgt, daß das Universum immer kälter wird, aber nie den absoluten Nullpunkt erreichen wird, ihm jedoch unendlich nahe kommen wird.

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Beitrag zuletzt bearbeitet von Hans-m am 18.12.2008 um 12:54 Uhr.
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Hallo zusammen,
ich dachte mir, ich stelle mal meine Erkenntnise zu diesem Thema vor.

So weit ich das sagen kann, haben wir im All nicht -273,15 °C , weil wir einerseits kein absolutes Vakuum dort haben ( ein Teilchen pro m³ ), und andererseits die zuvor erwähnte Hintergrundstrahlung.

Dann war noch die Rede von der höchstmöglichen Temperatur. Ich bin der Meinung, die höchstmöglichen Temperatur erhält man, wenn man die höchstmögliche Dichte mit höchstmöglicher Geschwindigkeit kombiniert.
Sprich eine extrem starkes schwarzes Loch, welches sich mit v=c bewegt, und dessen Teilchen auch.

mfg, James
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"Zeit ist, was verhindert, dass alles auf einmal passiert"
(John A. Wheelers)
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zur Temperatur des Weltalls:
http://de.wikipedia.org/wiki/Hintergrundstrahlung
mfG Roderic
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James schrieb in Beitrag Nr. 1273-9:

Dann war noch die Rede von der höchstmöglichen Temperatur. Ich bin der Meinung, die höchstmöglichen Temperatur erhält man, wenn man die höchstmögliche Dichte mit höchstmöglicher Geschwindigkeit kombiniert.
Sprich eine extrem starkes schwarzes Loch, welches sich mit v=c bewegt, und dessen Teilchen auch.

In diesem Fall wandle ich wieder einen Teil der thermischen Energie in kinentische Energie um
Läßt man die Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, dann wird aus der kinetischen Energie wieder zum größten teil thermische Energie, aber auch Strahlung und andere Energieformen.

Die höchste Temperatur erreiche ich, wenn ich 100% der Universum vorhandenen Energie auf eine möglicht kleine Masse übertrage.
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Hans-m schrieb in Beitrag Nr. 1273-11:
Die höchste Temperatur erreiche ich, wenn ich 100% der Universum vorhandenen Energie auf eine möglicht kleine Masse übertrage.
Ich bin zwar kein Experte, glaube aber nicht, dass es so einfach ist. Wie bereits erwähnt, ist Wärme molekulare (atomare) Bewegung, also eine bestimmte Form kinetischer Energie im "Teilchenbereich". Daraus ergibt sich doch zwangsläufig, dass die höchstmögliche Wärme nur der Bereich sein kann, in dem Teilchen eines am besten extrem dichten Körper mit v=c zusammenstoßen. Alle sich vorstellbaren Temperaturen, welche diese überschreiten kann es nicht geben. Genauso wie es keine Überlichtgeschwindigkeit geben kann.

mfg, James
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Zitat:
Können Lichtteilchen (Photonen) miteinader kollidieren ? Und wie hoch ist (theoretisch)die dabei entstehende Temperatur ?

Definitiv: NEIN! Lichtquanten allein können nicht miteinander "kollidieren".
MfG Roderic
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Harti schrieb in Beitrag Nr. 1273-5:
Hallo Zeitgenossen,

was ich in Bezug auf Wärme noch nicht verstanden habe ist Folgendes:

(1) Wärme ist im Prinzip nichts anderes als molekulare (atomare) Bewegung, (2) also eine bestimmte Form kinetischer Energie im "Teilchenbereich". (3) Kann auch ein einzelnes Teilchen, das nicht mit einem anderen Teilchen kollidiert Wärme haben ? (4) Wenn dies der Fall ist, entspräche allein die Bewegungsenergie eines Teilchens seiner Wärme.
(5) Bedeutet nun die niedrige Temperatur des Weltalls, die ja ein Maß für die Wärme ist, daß dort nur sehr wenige Teilchen vorhanden sind und deshalb nur wenige Kollisionen erfolgen oder (6) bewegen sich die dort vorhandenen Teilchen nur relativ langsam, so daß die Kollisionen nicht so heftig sind ?
(7) Kann man einem Raumbereich allein dadurch Wärme entziehen (niedrige Temperaturen erzeugen), indem man
ein Vakuum (soweit dies möglich ist) erzeugt ?
Können Lichtteilchen (Photonen) miteinader kollidieren ? Und wie hoch ist (theoretisch)die dabei entstehende Temperatur ?
Diese Fragen stelle ich mir auch deshalb, weil im Zusammnhang mit der Zeit kurz nach dem Urknall und den Verhältnissen bei der Kollision von Teilchen in Teilchenbeschleunigern immer von so irre hohen Temperaturen die Rede ist.

MfG
Harti

(1) ja
(2) ja, so kann man das sehen
(3) Naja, Wärme ist eine Energie, diese mit der kinetischen Energie gleichzusetzen, macht Sinn, wenn ich diese Kin. Energie in Beziehung setze zu einem Bezugssystem, denn um Kin. Energie zu berechnen brauch ich v, und dazu brauch ich einen Bezugssystem.
(4) Ja, siehe (3)
(5) GANZ WICHTIG!!: Temperatur ist eine völlig andere physikalische Größe als Wärme ! Ja sicher, in unserem Alltag bedeutet: hohe Temperatur=viel Wärme, niedrige Temperatur=wenig Wärme, aber Du darfst diese beide Größen nicht gleichsetzen, dazu später gern mehr.
(6) die Temperatur des Weltalls (eines Raumbereiches) wird durch die Frequenz der Hintergrundstrahlung bestimmt.
Im All kommen auf ein Materie Teilchen 400Mrd LichtQuanten. Diese Photonen haben eine durchschnittliche Frequenz, damit eine durchschnittliche Energie, damit entsprechen sie einer Schwarzkörperstrahlung mit Maximum bei einer bestimmten Wellenlänge, damit einem Schwarzkörperstrahler einer bestimmten Temperatur, eben jenen 2.7 K.
Die Bewegungsenergie der restlichen Materieteilchen spielen rechnerisch absolut keine Rolle bei der Temperatur des Alls.
(7) Naja, Ja: Entferne alle Materieteilchen inklusive Neutrinos und schirme sämtliche Strahlung ab.

Gruß Roderic
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James schrieb in Beitrag Nr. 1273-12:
Ich bin zwar kein Experte, glaube aber nicht, dass es so einfach ist. Wie bereits erwähnt, ist Wärme molekulare (atomare) Bewegung, also eine bestimmte Form kinetischer Energie im "Teilchenbereich". Daraus ergibt sich doch zwangsläufig, dass die höchstmögliche Wärme nur der Bereich sein kann, in dem Teilchen eines am besten extrem dichten Körper mit v=c zusammenstoßen. Alle sich vorstellbaren Temperaturen, welche diese überschreiten kann es nicht geben. Genauso wie es keine Überlichtgeschwindigkeit geben kann.

Was würde passieren, wenn Du diesem Teilchen permanent Energie zuführen würdest ihm aber die Möglichkeit nimmst Energie wieder abzugeben.

Unser Universum expandiert permanent, zu Beginn, also kurz nach dem Urknall war es unendlich klein und alle Energie darin gebündelt.
Gehen wir nun zum Big-Crunch, also zum Zusammenfall des Universums, wenn er denn stattfindet. Dann wird das Universum immer kleiner, und keine Energie kann das Universum verlassen. diese gewaltige Energiebündelung müßte die Temperatur ins unermeßliche hochtreiben.

Ich denke selbst in einem Schwarzen Loch müßte Energie gefangen sein, alles geht rein, aber nichts geht raus. Die Folge wäre auch eine Temperaturerhöhung. Möglicher Weise wird sich ab einem bestimmten Punkt Energie wieder in Materie umwandeln um ein Gleichgewicht herzustellen. Vielleicht war das auch ein Grund für den Urknall, das eine fast unendliche Energie, in einem Punkt von einem Radius gegen Null, keinen Platz hatte und somit in Materie umgewandelt wurde, wodurch das Universum entstand.

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Beitrag zuletzt bearbeitet von Hans-m am 18.12.2008 um 21:55 Uhr.
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Und ich habe noch immer nicht herausfinden können, wie man jetzt die zur Kühlung der CERN-Anlage notwendige Temperatur erreicht...

Wie ein Kühlschrank funktioniert, kann ich mir ja noch vorstellen (Verdichter und Verdampfer, Kühlmittelkreislauf), aber da kommt man doch sicher nicht bis -272°, oder?

Zusatzfrage: Wenn man ein Material verdichtet, dann erwärmt es sich doch, richtig? Wie "heiß" muss denn dann eigentlich Stickstoff (oder Helium) sein, wenn man ihn (es) bis zur Verflüssigung verdichtet? ;-)

Ach, ich bin gerade ziemlich physik-konfus...
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Uwe. schrieb in Beitrag Nr. 1273-16:
Und ich habe noch immer nicht herausfinden können, wie man jetzt die zur Kühlung der CERN-Anlage notwendige Temperatur erreicht...

Wie ein Kühlschrank funktioniert, kann ich mir ja noch vorstellen (Verdichter und Verdampfer, Kühlmittelkreislauf), aber da kommt man doch sicher nicht bis -272°, oder?

Das Prinzip des Kühlschranks ist schon richtig, eine andere Möglichkeit gibt es nicht ,außer mit einem Peltier-Element, aber die sind leider (noch) nicht so leistungsfähig. http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element
Ich denke die Kühlung wird einige MW Energie brauchen, um diese Temperaturen zu erreichen. Möglicher weise in Kaskaden, die erste kühlt auf -50 °C die nächste auf -100°C usw. Außerdem muß man bedenken daß in den Röhren Vakuum ist, und wo nichts drin ist, muß man auch nichts kühlen. Letztendlich muß nur der Meßaufbau gekühlt werden, damit das temperaturbedingte Rauschen der Meßanordnung reduziert wird, ähnlich wie bei Radioteleskopen.


Zitat:

Zusatzfrage: Wenn man ein Material verdichtet, dann erwärmt es sich doch, richtig? Wie "heiß" muss denn dann eigentlich Stickstoff (oder Helium) sein, wenn man ihn (es) bis zur Verflüssigung verdichtet? ;-)

Ach, ich bin gerade ziemlich physik-konfus...

Wenn man ein Gas verdichtet, so erwärmt es sich, Durch Verdichten allein wird das Gas nicht flüssig, weil es sich entlang der sogenannten adiabatischen Kennline bewegt, Jedes Gas hat eine Druck-Temperatur-Kennlinie, Oberhalb dieser ist es gasförmig, darunter flüssig. Man muß zusätzlich die durch die Temperaturerhöhung erzeugte Wärme abführen, damit das Gas flüssig werden kann. Beim Kühlschrank geschieht dies durch den so genannten Verflüssiger auf der Rückseite. Es unterschreitet dann die Druck-Temperatur-Kennlinie.

Bei Stickstoff liegt der Siedepunkt bei 77,35 K (−195,80 °C), aber nur bei atmosphärischem Druck, also 1 bar absolut. http://de.wikipedia.org/wiki/Stickstoff
Bei Helium 4,22 K (−268,93 °C) http://de.wikipedia.org/wiki/Helium

Erhöht man den Druck so erhöht sich der Siedepunkt bei Verringerung entsprechend umgekehrt.
Eine Kennlinie oder Tabelle hab ich nicht aber Du kannst es berechnen unter:
http://www.peacesoftware.de/einigewerte/stickstoff.html

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Beitrag zuletzt bearbeitet von Hans-m am 22.12.2008 um 07:32 Uhr.
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