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負熱力學温度
鎖定
- 中文名
- 負熱力學温度
- 提出依據
- 玻爾茲曼統計律
- 得出方式
- 計算
- 負温度
- 比正無窮大更高的温度
- 理論現狀
- 遠非完善
負熱力學温度舉例
一羣原子能級發生如下變化
這是激光中光放大原理
因此,正温度和負温度是在無窮大處連續的
負温度是真實存在的,
事例:氦氖激光器中正發射激光的氣體
温度
負熱力學温度具體分析
温度是反映熱力學系統之間熱平衡關係的物理量,處於熱平衡的諸系統具有相同的温度。由於就熱平衡來説,兩個系統的關係只有是否處於熱平衡之別,所以温度也只有相等和不相等之別。不同温度在物理本質上本來無所謂高低的區分,為了定量地比較温度而人為地建立了温標,例如理想氣體温標
定義為
但是,温標既然是人為規定的,在用理想氣體規定温標的情形下,我們也不妨規定一個“負倒温標”,以“
”標記,而按下述二式定義:
並把水的三相點的温度規定為
。這樣定義的温標
與熱力學温標
將有下述關係:
(5) 這樣,在通常
值為正數的範圍內,“負倒温度”的值將總小於零,而且當
時,
;當
時,
。較大的
值,對應於
的較大的代數值,而較大的
值也就對應於較高的温度(圖 1)。這就説明温度的正負值和原來規定温標時採取的定義有關係。
以下討論的不是人為規定的負温標,而是負的熱力學温度,即温標仍用(2)式和基準值
規定,但
的情況。我們將説明,
的系統狀態是存在的。但是
的温度並不比
的温度更低,而是更高,甚至比
還要高。在負熱力學温度範圍內,仍然是代數值大的表示温度高,而
是最高的温度(圖 1 中的温標
)。為什麼會是這種情況呢?
對於温度的認識,通常都知道它反映物體的冷熱程度。進一步的認識是把它和能量聯繫起來,認識到它是物體內分子熱運動的平均動能大小的標誌。其實,按(2)式定義的熱力學温度還有一個重要的意義:它反映了系統微觀無序度隨系統能量變化的情況,因為根據熱力學基本關係式
這一公式説明系統的微觀無序度(以熵
表示)隨其內能
增大而增大時,系統處於正熱力學温度(
)的狀態。如果系統微觀無序度隨其內能的增大而減小,則系統的熱力學温度將為負值(
)。一般的熱力學系統,當增加其能量時(如對氣體加熱使其温度升高,或對晶體加熱使之熔化),它的微觀無序度總是增大的,因而總是處於正熱力學温度的常態。但如果能使系統的熵隨能量的增大而減小,就可能得到負熱力學温度的狀態。
實際的負熱力學温度
實際的具有負熱力學温度的狀態可以用自旋系統來説明。
已確認原子核都具有自旋角動量,好像它們都圍繞自己的軸線旋轉運動。這種運動就叫自旋,自旋角動量是量子化的。在磁場中其自旋軸的方向只能取某些特定的方向,如與外磁場平行或反平行的方向。由於原子核具有電荷,所以伴隨着自旋,它們就有自旋磁矩,如小磁針那樣。通常以 表示自旋磁矩。磁矩在磁場中具有和磁場相聯繫的能量。例如, 和磁場
平行時能量為
,其值較低; 和磁場
反平行時能量為
,其值較高。