Абсолютна від'ємна температура

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Абсолютна від'ємна температура — характеристика розподілу частинок за енергіями в деяких нерівноважних фізичних системах. Прикладом такої системи може бути робоча речовина лазера, накачана зовнішнім джерелом енергії так, що в ній у збудженому стані перебуває більше атомів або молекул, ніж в основному стані.

Від'ємна температура не є звичайною температурою, яка визначається як характеристика рівноважної термодинамічної системи. Без зовнішнього джерела енергії фізична система перейде в рівноважний стан із додатною температурою.

Пояснення та зв'язки із відомими шкалами[ред. | ред. код]

Деякі нерівноважні системи можна характеризувати параметром, який називають від'ємною температурою. Тобто їхня термодинамічна температура може бути виражена як від'ємна величина в шкалах Кельвіна чи Ранкіна. В буденному використанні «від'ємна температура» означає температури, що визначаються як від'ємні числа більш відомих шкал Цельсія або Фаренгейта, зі значеннями, що нижчі, ніж нуль цих шкал, але, все ж таки, вищі від абсолютного нуля. Система з істинно від'ємною температурою в абсолютних термінах на шкалі Кельвіна гарячіша, ніж будь-яка система з додатною температурою. Якщо сконтактувати систему з від'ємною температурою з системою з додатною температурою, тепло буде перетікати від першої до другої системи.

«Теплота» від'ємної температури[ред. | ред. код]

Те, що система з від'ємною температурою тепліша за систему з додатною, видається парадоксальним, якщо абсолютну температуру трактувати як середню кінетичне енергію системи. Цей парадокс зникає, якщо означати температуру з допомогою строгішого означення через обмін між енергією та ентропією, зі зворотною температурою, термодинамічним бета, в ролі більш фундаментальної величини. Таким чином: якщо до системи з додатною температурою додати енергію, її ентропія зростатиме. Якщо до системи з від'ємною температурою додати енергію - її ентропія зменшуватиметься.

Зв'язок із квантовою фізикою[ред. | ред. код]

Більшість відомих систем не можуть досягти від'ємної температури, оскільки додавання нової енергії завжди призводить до зростання їхньої ентропії. Можливість зменшення ентропії зі зростанням енергії вимагає, що система була «переповнена» ентропією і щоб одночасно кількість станів з високою енергією лишалася малою. Ці типи систем, обмежені максимальною кількістю енергії, заборонені в класичному випадку. Таким чином, від'ємна температура є суто квантовим явищем. Проте, деякі системи мають максимально можливу енергію, і коли вони досягають цієї енергії, їхня ентропія починає спадати.

Тепловий та молекулярний розподіл енергії[ред. | ред. код]

Від'ємні енергії можуть існувати лише в системах з обмеженим числом енергетичних станів. Якщо температура в такій системі зросла, частинки рухаються до вищих і вищих енергетичних рівнів, і коли температура зростає, число частинок на нижчих енергетичних рівнях та на вищих стає наближається до однакового значення. (Це є висновком з означення температури в статистичній механіці для систем з обмеженими рівнями.) Вводячи до цих систем відповідним чином енергію, можна створити систему, де більшість частинок знаходиться на вищих енергетичних рівнях, ніж на нижчих. Тоді система характеризуватиметься наявністю від'ємної температури. Речовина з від'ємною температурою не холодніша, ніж при абсолютному нулі і тепліша за нескінченну температуру. За Кіттелем та Кремером: "Температурна шкала від холодного до гарячого є:

+0 K, ... , +300 K, ... , +∞ K, −∞ K, ... , −300 K, ... , −0 K."

Загалом температура визначається кінетичною енергією атомів. Оскільки немає ніякої верхньої границі імпульсу атома, то й немає верхньої границі для числа енергетичних станів, можливих, коли додано достатньо енергії, і немає можливості отримати від'ємну температуру. Проте, більш звично температура означається статистичною механікою, ніж як просто кінетична енергія. Шкала зворотної температури β = 1/kT (де k - стала Больцмана) пробігає неперервно від низької до високої енергії +∞, ... , −∞.

Температура та безпорядок[ред. | ред. код]

Розподіл енергії між різними трансляційною, осциляторною, обертовою, електронною та нуклонною модами системи визначає макроскопічну температуру. У "нормальній" системі теплова енергія перебуває в неперервному обміні між різними модами.

Проте іноді буває можливим ізолювати одну чи кілька мод. Фактично, ізольовані моди продовжують обмінюватися енергією з іншими модами, проте цей обмін відбувається значно повільніше, ніж обмін всередині моди. Прикладом може бути випадок нуклонних спінів у сильному зовнішньому магнітному полі. В цьому випадку енергія протікає достатньо швидко між спіновими станами взаємодіючих атомів, але трансфер енергії між нуклонними спінами та іншими модами - відносно повільний. Оскільки потік енергії домінує всередині спінових систем, є сенс говорити про спінову температуру, що відмінна від температури інших мод.

Формульне трактування[ред. | ред. код]

Визначення температури може базуватися на такому співвідношенні:

Воно передбачає, що додатна температура відповідає умові, де ентропія S зростає, коли до системи додають теплову енергію qrev. Це "нормальна" умова в макроскопічному світі і завжди має місце для трансляційних, осциляторних, ротаційних, електронних та нуклонних мод. Причиною цього є нескінченна кількість цих типів мод, а додавання енергії до системи сприяє зростанню кількості мод, що є енергетично чутливими, і таким чином зростає ентропія.