Negativ absolut temperatur

Negativ absolut temperatur  är en temperatur som kännetecknar icke-jämviktstillstånden i ett termodynamiskt system, där sannolikheten att hitta ett system i ett mikrotillstånd med högre energi är högre än i ett mikrotillstånd med ett lägre.

I kvantstatistik betyder det att ett system är mer sannolikt att hittas på en energinivå med högre energi än på en nivå med lägre energi. En n-faldig degenererad nivå räknas sedan som n nivåer.

I klassisk statistik motsvarar detta en högre sannolikhetstäthet för punkter i fasrummet med högre energi jämfört med punkter med lägre energi. Vid en positiv temperatur är förhållandet mellan sannolikheter eller deras densiteter omvänt.

För förekomsten av jämviktstillstånd med en negativ temperatur är konvergensen av partitionsfunktionen vid denna temperatur nödvändig. Tillräckliga förutsättningar för detta är: i kvantstatistik - ändligheten av antalet energinivåer i systemet, i klassisk statistisk fysik - att fasutrymmet som är tillgängligt för systemet har en begränsad volym, och alla punkter i detta tillgängliga rum motsvarar energier från något ändligt intervall.

I dessa fall finns det möjlighet att energin i systemet kommer att vara högre än energin i samma system i en jämviktsfördelning med någon positiv eller oändlig temperatur. En oändlig temperatur kommer att motsvara en jämn fördelning och en slutenergi under det maximala möjliga. Om ett sådant system har en energi som är högre än energin vid oändlig temperatur, så kan jämviktstillståndet vid en sådan energi endast beskrivas med en negativ absolut temperatur.

Systemets negativa temperatur kvarstår under tillräckligt lång tid om detta system är tillräckligt väl isolerat från kroppar med positiv temperatur. I praktiken kan en negativ temperatur realiseras, till exempel i ett system av kärnspinn .

Med en negativ temperatur är jämviktsprocesser möjliga . Vid termisk kontakt mellan två system med olika temperaturtecken börjar ett system med en positiv temperatur att värmas upp och ett system med en negativ temperatur börjar svalna. För att temperaturerna ska bli lika måste ett av systemen passera genom en oändlig temperatur (i ett särskilt fall förblir jämviktstemperaturen för det kombinerade systemet oändlig).

Den absoluta temperaturen och  är samma temperatur (motsvarande en enhetlig fördelning), men temperaturerna T=+0 och T=-0 är olika. Således kommer ett kvantsystem med ett ändligt antal nivåer att koncentreras till den lägsta nivån vid T=+0 och på den högsta nivån vid T=-0 . Genom att passera en serie jämviktstillstånd kan systemet komma in i temperaturområdet med ett annat tecken endast genom oändlig temperatur.

I ett nivåsystem med populationsinversion är den absoluta temperaturen negativ om den är definierad, det vill säga om systemet är tillräckligt nära jämvikt.

Litteratur

Länkar