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2. Hauptsatz der Thermodynamik - Wärmekraftmaschinen

Tiefste Temperaturen

Der Forschungsdrang des Physikers hat in der physikalischen Messtechnik die Grenzen für hohe Drücke, das Vakuum, hohe und tiefe Temperaturen, Magnetfelder, Teilchenenergien usw. zu immer extremeren Werten getrieben. Im Vergleich mit den „Leistungen” der Natur sind diese Werte jedoch recht bescheiden, mit einer Ausnahme. 1988 gelang im Physikalischen Institut der Universität Bayreuth die Abkühlung von 130 g Kupfer auf 12 10 -6 K = 12 µK . Damit erstreckt sich der heute im Labor zugängliche Temperaturbereich bis fast 10 -5 K . Das sind mehr als fünf Größenordnungen unterhalb der tiefsten im Weltall herrschenden Temperatur von 3 K , die immer noch von der Abstrahlung des Urknalls bei der Entstehung des Universums aufrecht erhalten wird.

Auf den ersten Blick erscheint der Weg von 3 K nach 0 K kurz im Vergleich zu 3 K bis 104 K . Aus Alltagserfahrung neigen wir nämlich dazu, die Abkühlung von 300 auf 299 K als etwas ähnlich anzusehen wie von 1,5 auf 0,5 K . Hier ist allerdings zu bedenken, dass viele Eigenschaften der Materie nicht proportional zur Temperatur sind, sondern eher einer dekadischen Skala gehorchen (Bedenke T 2 / T 1 = - Q 2 / Q 1 für die Abkühlung des Gases im Carnot-Prozess.). Dies bedeutet, dass im Bereich von 10 µK bis 0,1 K genauso viel „Platz” für die Physik der Materie ist wie zwischen 1 K und der Oberflächentemperatur der Sonne.

Heute werden drei Verfahren zur Erzeugung tiefster Temperatur eingesetzt. Durch Kühlung mit flüssigem Helium He4 erreicht man 1 K . Den Millikelvin-Bereich dominiert die einzige bekannte kontinuierliche Methode, die He3/He4-Mischungskühlung. Einfache Apparate erreichen etwa 25 mK , aufwendige kommerzielle Anlagen 4 mK mit einer Kühlleistung von 5 µW bei 10 mK . Für die weitere Temperatur-Absenkung in den µK -Bereich ist heute nur ein einziges Verfahren bekannt, nämlich die „adiabatische Entmagnetisierung der magnetischen Momente von Atomkernen”.

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