Záporná absolutní teplota

Negativní absolutní teplota  je teplota , která charakterizuje nerovnovážné stavy termodynamického systému, ve kterých je pravděpodobnost nalezení systému v mikrostavu s vyšší energií vyšší než v mikrostavu s nižší.

V kvantové statistice to znamená, že je pravděpodobnější, že systém bude nalezen na jedné energetické úrovni s vyšší energií než na jedné úrovni s nižší energií. N-násobek degenerované úrovně se pak počítá jako n úrovní.

V klasické statistice to odpovídá vyšší hustotě pravděpodobnosti pro body ve fázovém prostoru s vyšší energií ve srovnání s body s nižší energií. Při kladné teplotě se poměr pravděpodobností nebo jejich hustot obrátí.

Pro existenci rovnovážných stavů se zápornou teplotou je nutná konvergence rozdělovací funkce při této teplotě. Dostatečné podmínky pro to jsou: v kvantové statistice - konečnost počtu energetických hladin systému, v klasické statistické fyzice - že fázový prostor přístupný systému má omezený objem a všechny body v tomto přístupném prostoru odpovídají energiím z nějakého konečného intervalu.

V těchto případech existuje možnost, že energie systému bude vyšší než energie stejného systému v rovnovážném rozdělení s jakoukoli kladnou nebo nekonečnou teplotou. Nekonečné teplotě bude odpovídat rovnoměrné rozložení a konečná energie pod maximální možnou hodnotou. Pokud má takový systém energii vyšší než energie při nekonečné teplotě, pak lze rovnovážný stav při takové energii popsat pouze pomocí záporné absolutní teploty.

Záporná teplota systému přetrvává dostatečně dlouhou dobu, pokud je tento systém dostatečně dobře izolován od těles s kladnou teplotou. V praxi může být záporná teplota realizována například v systému jaderných spinů .

Při záporné teplotě jsou možné rovnovážné procesy . Při tepelném kontaktu dvou systémů s odlišným teplotním znaménkem se systém s kladnou teplotou začne ohřívat a systém se zápornou teplotou se začíná ochlazovat. Aby se teploty vyrovnaly, musí jeden ze systémů projít nekonečnou teplotou (v konkrétním případě zůstane rovnovážná teplota kombinovaného systému nekonečná).

Absolutní teplota a  je stejná teplota (odpovídá rovnoměrnému rozdělení), ale teploty T=+0 a T=-0 jsou různé. Kvantový systém s konečným počtem úrovní bude tedy koncentrován na nejnižší úrovni při T=+0 a na nejvyšší úrovni při T=-0. Při průchodu řadou rovnovážných stavů může systém vstoupit do teplotní oblasti s jiným znaménkem pouze prostřednictvím nekonečné teploty.

V systému úrovní s inverzí populace je absolutní teplota záporná, pokud je definována, to znamená, pokud je systém dostatečně blízko k rovnováze.

Literatura

Odkazy