Negativ absolut temperatur

Negativ absolut temperatur  er en temperatur , der karakteriserer ikke - ligevægtstilstandene i et termodynamisk system, hvor sandsynligheden for at finde et system i en mikrotilstand med en højere energi er højere end i en mikrotilstand med en lavere.

I kvantestatistik betyder det, at et system med større sandsynlighed findes på et energiniveau med en højere energi end på et niveau med en lavere energi. Et n-fold degenereret niveau tælles derefter som n niveauer.

I klassisk statistik svarer dette til en højere sandsynlighedstæthed for punkter i faserummet med højere energi sammenlignet med punkter med lavere energi. Ved en positiv temperatur er forholdet mellem sandsynligheder eller deres tætheder omvendt.

For eksistensen af ​​ligevægtstilstande med en negativ temperatur er konvergensen af ​​partitionsfunktionen ved denne temperatur nødvendig. Tilstrækkelige betingelser for dette er: i kvantestatistik - endeligheden af ​​antallet af energiniveauer i systemet, i klassisk statistisk fysik - at faserummet, der er tilgængeligt for systemet, har et begrænset volumen, og alle punkter i dette tilgængelige rum svarer til energier fra et begrænset interval.

I disse tilfælde er der mulighed for, at systemets energi vil være højere end energien i det samme system i en ligevægtsfordeling med enhver positiv eller uendelig temperatur. En uendelig temperatur vil svare til en ensartet fordeling og en slutenergi under det maksimalt mulige. Hvis et sådant system har en energi, der er højere end energien ved uendelig temperatur, så kan ligevægtstilstanden ved en sådan energi kun beskrives ved hjælp af en negativ absolut temperatur.

Systemets negative temperatur vedvarer i tilstrækkelig lang tid, hvis dette system er tilstrækkeligt godt isoleret fra legemer med en positiv temperatur. I praksis kan en negativ temperatur realiseres, for eksempel i et system af nukleare spins .

Med en negativ temperatur er ligevægtsprocesser mulige . Ved termisk kontakt af to systemer med et forskelligt temperaturtegn begynder et system med en positiv temperatur at varme op, og et system med en negativ temperatur begynder at afkøle. For at temperaturerne kan blive ens, skal et af systemerne passere gennem en uendelig temperatur (i et bestemt tilfælde vil ligevægtstemperaturen for det kombinerede system forblive uendelig).

Den absolutte temperatur og  er den samme temperatur (svarende til en ensartet fordeling), men temperaturerne T=+0 og T=-0 er forskellige. Et kvantesystem med et begrænset antal niveauer vil således være koncentreret på det laveste niveau ved T=+0 og på det højeste niveau ved T=-0. Ved at passere gennem en række ligevægtstilstande kan systemet kun gå ind i temperaturområdet med et andet fortegn gennem uendelig temperatur.

I et niveausystem med populationsinversion er den absolutte temperatur negativ, hvis den er defineret, det vil sige, hvis systemet er tæt nok på ligevægt.

Litteratur

Links