Negatív abszolút hőmérséklet

A negatív abszolút hőmérséklet  a termodinamikai rendszer nem egyensúlyi állapotait jellemző hőmérséklet, amelyben nagyobb a valószínűsége annak, hogy nagyobb energiájú mikroállapotban találunk rendszert, mint egy alacsonyabb mikroállapotban.

A kvantumstatisztikában ez azt jelenti, hogy egy rendszer nagyobb valószínűséggel található egy magasabb energiájú energiaszinten , mint egy alacsonyabb energiájú szinten. Az n-szeres degenerált szintet ezután n szintnek számítjuk.

A klasszikus statisztikában ez nagyobb valószínűségi sűrűségnek felel meg a fázistér nagyobb energiájú pontjainál, mint az alacsonyabb energiájú pontoknál. Pozitív hőmérsékleten a valószínűségek vagy sűrűségük aránya megfordul.

Negatív hőmérsékletű egyensúlyi állapotok létezéséhez ezen a hőmérsékleten a partíciós függvény konvergenciája szükséges. Ehhez elegendő feltétel: a kvantumstatisztikában - a rendszer energiaszintjeinek végessége, a klasszikus statisztikus fizikában - hogy a rendszer számára hozzáférhető fázistér korlátozott térfogatú legyen, és ennek a hozzáférhető térnek minden pontja energiáknak feleljen meg. valamilyen véges intervallumból.

Ezekben az esetekben fennáll annak a lehetősége, hogy a rendszer energiája nagyobb lesz, mint ugyanazon rendszer energiája egyensúlyi eloszlásban bármely pozitív vagy végtelen hőmérséklet mellett. A végtelen hőmérséklet egyenletes eloszlásnak és a lehetséges maximum alatti végső energiának felel meg. Ha egy ilyen rendszer energiája nagyobb, mint a végtelen hőmérsékletű energia, akkor az egyensúlyi állapot ilyen energiánál csak negatív abszolút hőmérséklettel írható le.

A rendszer negatív hőmérséklete kellően hosszú ideig fennmarad, ha ez a rendszer kellően el van szigetelve a pozitív hőmérsékletű testektől. A gyakorlatban negatív hőmérséklet megvalósítható például egy magspin rendszerben .

Negatív hőmérséklet mellett egyensúlyi folyamatok lehetségesek . Két eltérő hőmérséklet-előjelű rendszer termikus érintkezésekor a pozitív hőmérsékletű rendszer felmelegszik, a negatív hőmérsékletű rendszer pedig lehűl. Ahhoz, hogy a hőmérsékletek egyenlővé váljanak, az egyik rendszernek végtelen hőmérsékleten kell átmennie (egy adott esetben a kombinált rendszer egyensúlyi hőmérséklete végtelen marad).

Az abszolút hőmérséklet és  azonos hőmérséklet (egyenletes eloszlásnak felel meg), de a T=+0 és T=-0 hőmérsékletek eltérőek. Így egy véges számú szinttel rendelkező kvantumrendszer a legalacsonyabb szinten T=+0-nál, a legmagasabb szinten pedig T=-0-nál koncentrálódik. Egy sor egyensúlyi állapoton áthaladva a rendszer csak végtelen hőmérsékleten tud más előjellel belépni a hőmérsékleti tartományba.

Egy populációinverziójú szintrendszerben az abszolút hőmérséklet negatív, ha definiálva van, vagyis ha a rendszer elég közel van az egyensúlyhoz.

Irodalom

Linkek