Отрицательная абсолютная температура

Отрицательная абсолютная температура — температура, характеризующая равновесные состояния термодинамической системы, в которых вероятность обнаружить систему в микросостоянии с более высокой энергией выше, чем в микросостоянии с более низкой.

В квантовой статистике это значит, что больше вероятность обнаружения системы на уровне с более высокой энергией, в классической — что больше плотность вероятности для точек фазового пространства с более высокой энергией.

Для существования таких равновесных состояний необходима сходимость статистической суммы при соответствующей отрицательной температуре. Это возможно, в частности: в квантовой статистике — если число энергетических уровней системы конечно, в классической статистической физике — если объём фазового пространства, доступного системе, ограничен. В этих случаях энергия системы с отрицательной температурой будет выше, чем энергия той же системы с бесконечной температурой, при которой имеет место равномерное распределение по уровням или в фазовом пространстве.

Отрицательная температура системы сохраняется достаточно долго, если эта система достаточно хорошо изолирована от тел с положительной температурой, На практике отрицательная температура может реализовываться, например, в системе ядерных спинов.

С отрицательной температурой возможны равновесные процессы. При тепловом контакте двух систем с разным знаком температуры система с положительной температурой начинает нагреваться, с отрицательной — охлаждаться. Чтобы температуры стали равными, одна из систем должна пройти через бесконечную температуру (в частном случае равновесная температура объединённой системы останется бесконечной).

Абсолютная температура $+\infty$ и $-\infty$ — это одна и та же температура (соответствующая равномерному распределению), но различаются температуры T=+0 и T=-0 . Так, квантовая система с конечным числом уровней будет сосредоточена на самом нижнем уровне при T=+0 , и на самом верхнем — при T=-0 . Проходя ряд равновесных состояний, система может попасть в область температуры с другим знаком только через бесконечную температуру.

В системе уровней с инверсией населённостей абсолютная температура отрицательна, если она определена, то есть если система достаточно близка к равновесной.

Литература

ж-л Природа №4 1994 стр. 23-70

Для улучшения этой статьи по физике желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное. Добавить иллюстрации.