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Den Grundlagen der Thermodynamik auf der Spur

Kieler Physiker können in Komplexen Plasmen erstmals die kaum messbare Größe Entropie bestimmen

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts weiß man in der Physik, dass die Übertragung von Energie von einen auf einen anderen Körper mit der Größe Entropie verbunden ist. Schnell wurde klar, dass diese Größe von fundamentaler Bedeutung ist und so hat sie ihren Siegeszug als nützliche theoretische Bilanzgröße in der Physik, Chemie und Technik angetreten. Doch die Messung dieser Zustandsgröße gestaltet sich oft als schwierig. Professor Dietmar Block und Frank Wieben von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ist es jetzt gelungen, Entropie in Komplexen Plasmen zu messen, wie sie kürzlich in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters berichteten.In einem System von geladenen Mikropartikeln, die sich in diesem ionisierten Gas befinden, konnten die Forscher alle Positionen und Impulse der Partikel gleichzeitig messen. Auf diese Weise waren sie mit ihren Experimenten in der Lage, die Entropie so bestimmen, wie es der Physiker Ludwig Boltzmann um 1880 bereits theoretisch beschrieben hat.


Thermodynamisches Gleichgewicht überrascht im Plasma

"Uns ist mit unseren Experimenten der Nachweis gelungen, dass im komplexen Plasma als wichtigem Modellsystem die thermodynamischen Grundlagen streng erfüllt werden. Überraschend ist, dass dies für Mikropartikel in einem Plasma gilt, das sich weit weg vom thermodynamischen Gleichgewicht befindet", erklärt Physikdoktorand Frank Wieben. In seinen Experimenten kann er mit einem Laser die thermische Bewegung der Mikropartikel im Plasma gezielt beeinflussen. Die Beobachtung des dynamischen Verhaltens der Partikel in Echtzeit erlaubt es dann die Entropie zu bestimmen.

"Damit legen wir die Basis um zukünftig fundamentale Untersuchungen zur Thermodynamik in stark gekoppelten Systemen durchführen zu können, die sich auf andere Systeme übertragen lassen", ist Professor Dietmar Block vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU überzeugt. Die Vorarbeiten zu diesem Erfolg gehen maßgeblich auf die Ergebnisse und diagnostischen Verfahren zurück, die in Kiel im Sonderforschungsbereich-Transregio 24 "Grundlagen Komplexer Plasmen" (2005-2017) entwickelt wurden. 


Erklärung von Entropie an einem Wasser-Experiment

Ein alltägliches Experiment verdeutlicht die Bedeutung der Größe Entropie: Schüttet man einen Behälter mit heißem Wasser in einen Behälter mit kaltem Wasser, ist die Mischung kühler als die des heißen Wassers zuvor und wärmer als die des kalten Wassers. Umdrehen lässt sich dieser Prozess allerdings nicht, er ist nicht reversibel: Wasser mittlerer Temperatur lässt sich nicht in einen Behälter mit heißem und einen mit kaltem Wasser aufteilen.

Der Grund für die Unumkehrbarkeit dieses Prozesses ist die Entropie. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropie in einem abgeschlossenen System nicht kleiner werden kann. Beim Mischen von heißem und kaltem Wasser muss die Entropie des Gemisches daher zunehmen. Alternativ lässt sich die Größe Entropie auch mit Ordnung in Verbindung bringen. Stark vereinfacht könnte man sagen, dass Systeme von alleine nicht in einen geordneteren Zustand übergehen. Ordnung muss man schaffen, Unordnung ergibt sich von allein.

Originalpublikation:

Entropy Measurement in Strongly Coupled Complex Plasmas, Frank Wieben and Dietmar Block, Phys. Rev. Lett. 123, 225001 – Published 26 November 2019, DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.225001,  https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.123.225001

 

 

Weitere Informationen zum Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

Kontakt

Prof. Dr. rer. nat. Dietmar Block
Atom- und Plasmaphysik
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik
+49 431 880-3862
block@physik.uni-kiel.de
www.physik.uni-kiel.de/de/institute/ag-benedikt

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)