Отрицательная температура
-
Отрицательная термодинамическая температура
- Некоторые системы могут достигать отрицательной температуры по шкале Кельвина или Ренкина.
- Это явление было впервые обнаружено в Университете Альберты.
- Отрицательная температура по шкале Кельвина более горячая, чем положительная.
-
Ограниченное фазовое пространство
- Системы с ограниченным фазовым пространством могут достигать отрицательных температур.
- Это связано с насыщением энтропией при увеличении энергии.
- Системы с неограниченным фазовым пространством не могут достичь отрицательных температур.
-
История и экспериментальные доказательства
- Возможность отрицательных температур была предсказана Ларсом Онзагером в 1949 году.
- В 1951 году Перселл и Паунд обнаружили доказательства отрицательных температур в ядерных спинах кристалла фторида лития.
-
Определение температуры
- Шкала абсолютной температуры (Кельвина) интерпретируется как средняя кинетическая энергия частиц системы.
- Отрицательная температура связана с уменьшением энтропии при увеличении энергии.
- Термодинамическая температура определяется через изменение энтропии системы.
-
Распределение тепловой и молекулярной энергии
- Отрицательные температуры возможны только в системах с ограниченным числом энергетических состояний.
- По мере повышения температуры частицы переходят в более энергетические состояния.
- Вещество с отрицательной температурой горячее бесконечной температуры.
-
Температура и беспорядок
- Распределение энергии между различными модами системы определяет макроскопическую температуру.
- В некоторых системах можно выделить изолированные режимы, которые обмениваются энергией медленнее.
- Положительная температура соответствует увеличению энтропии при поступлении тепловой энергии.
-
Примеры
- Невзаимодействующие двухуровневые частицы могут иметь отрицательную температуру.
- Это связано с ограниченным числом микросостояний и насыщением энтропией.
-
Канонический ансамбль и энергия
- Температура фиксирована, энергия является возникающим свойством
- Микросостояния: ε1 = 0, ε2 = 1, ε3 = 1, ε4 = 2
- S, E и Z увеличиваются с увеличением температуры
-
Ядерные вращения и магнитное поле
- Пример реализован с помощью системы ядерных спинов
- В отсутствие магнитного поля спиновые состояния вырождены
- При приложении магнитного поля энергетические уровни разделяются
- Добавление энергии уменьшает энтропию, что соответствует отрицательной температуре
-
Лазеры и инверсия численности населения
- Явление наблюдается в системах генерации с инверсией численности населения
- Гамильтониан для одиночной моды поля люминесцентного излучения
- βH должен быть положительно полуопределенным для основного состояния
-
Двигательные степени свободы
- Отрицательные температуры достигнуты в двигательных степенях свободы
- Использована оптическая решетка для изменения взаимодействия атомов
- Атомы макроскопически занимают максимальное импульсное состояние решетки
-
Двумерное вихревое движение
- Двумерные системы вихрей могут формировать состояния теплового равновесия при отрицательной температуре
- Предсказание Онзагера подтверждено экспериментально для системы квантовых вихрей в конденсате Бозе-Эйнштейна