基本介紹
- 中文名：負熱力學溫度
- 提出依據：玻爾茲曼統計律
- 得出方式：計算
- 負溫度：比正無窮大更高的溫度
- 理論現狀：遠非完善
舉例,分析,
舉例
一群原子能級發生如下變化
(N1/N2=exp(E2-E1/kT)
若N1>N2且E1>E2
則T<0
這是雷射中光放大原理
N1>N2這種狀態叫粒子數布居反轉 (簡稱粒子數反轉)
因此，正溫度和負溫度是在無窮大處連續的
負溫度是真實存在的,
事例:氦氖雷射器中正發射雷射的氣體
溫度T<0K
分析
溫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溫度。由於就熱平衡來說，兩個系統的關係只有是否處於熱平衡之別，所以溫度也只有相等和不相等之別。不同溫度在物理本質上本來無所謂高低的區分，為了定量地比較溫度而人為地建立了溫標，例如理想氣體溫標 Tg 定義為
PV ∝ Tg （1）
熱力學溫標T用卡諾循環定義為
Q1 / Q2 = T1 / T2 （2）
可以證明，Tg = T 。由於溫度基準為水的三相點溫度，規定為正數 273.16 ，所以按上式定義的熱力學溫度 T 值總為正數，其最小值為零。而且 T 值越大，我們就認為溫度越高，越熱。實際上，溫度高低或熱冷的物理含義在於：兩個溫度不同的物體接觸後，相互間以傳熱方式交換能量。給出能量的物體稱為溫度高，或比較熱；接收能量的物體稱為溫度低，比較冷。這樣判定的溫度高低和 T 值的大小是相對應的。
但是，溫標既然是人為規定的，在用理想氣體規定溫標的情形下，我們也不妨規定一個“負倒溫標”，以“L”標記，而按下述二式定義：
PV ∝ - 1 / L （3）
以及Q1 / Q2 = L1 / L2 （4）
並把水的三相點的溫度規定為 - 1 / 273.16 = - 0.00366 。這樣定義的溫標 L 與熱力學溫標 T 將有下述關係：L = -1/T
5） 這樣，在通常 T 值為正數的範圍內，“負倒溫度”的值將總小於零，而且當 T → 0 時，L → -∞ ；當 T → ∞ 時，L → 0- 。較大的 T 值，對應於 L 的較大的代數值，而較大的 L 值也就對應於較高的溫度（圖 1）。這就說明溫度的正負值和原來規定溫標時採取的定義有關係。
以下討論的不是人為規定的負溫標，而是負的熱力學溫度，即溫標仍用（2）式和基準值 + 273.16 規定，但 T < 0 的情況。我們將說明，T < 0 的系統狀態是存在的。但是 T 0 的溫度並不比 T > 0 的溫度更低，而是更高，甚至比 T → +∞ 還要高。在負熱力學溫度範圍內，仍然是代數值大的表示溫度高，而 0- K 是最高的溫度（圖 1 中的溫標 T）。為什麼會是這種情況呢？
對於溫度的認識，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）式定義的熱力學溫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式
TdS = dE + PdV
可得 = （6）
這一公式說明系統的微觀無序度（以熵 S 表示）隨其內能（E）增大而增大時，系統處於正熱力學溫度（T > 0）的狀態。如果系統微觀無序度隨其內能的增大而減小，則系統的熱力學溫度將為負值（T < 0）。一般的熱力學系統，當增加其能量時（如對氣體加熱使其溫度升高，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溫度的常態。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溫度的狀態。
實際的負熱力學溫度
實際的具有負熱力學溫度的狀態可以用自旋系統來說明。
現在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，所以伴隨著自旋，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 B 平行時能量為 - ，其值較低； 和磁場 B 反平行時能量為 + ，其值較高。
