Перегляд вихідного коду сторінки Абсолютна від'ємна температура

'''Абсолютна від'ємна температура'''&nbsp;— характеристика розподілу частинок за енергіями в деяких нерівноважних фізичних системах. Прикладом такої системи може бути робоча речовина [[лазер]]а, накачана зовнішнім джерелом енергії так, що в ній у збудженому стані перебуває більше атомів або молекул, ніж в основному стані.

Від'ємна температура не є звичайною [[Температура|температурою]], яка визначається як характеристика рівноважної термодинамічної системи. Без зовнішнього джерела енергії фізична система перейде в рівноважний стан із додатною температурою.

== Пояснення та зв'язки із відомими шкалами == 
Деякі нерівноважні [[Термодинамічна система|системи]] можна характеризувати параметром, який називають від'ємною температурою. Тобто їхня [[термодинамічна температура]] може бути виражена як [[Від'ємне число|від'ємна]] величина в шкалах [[Кельвін (одиниця)|Кельвіна]] чи [[Градус Ранкіна|Ранкіна]]. В буденному використанні «від'ємна температура» означає температури, що визначаються як від'ємні числа більш відомих шкал [[Градус Цельсія|Цельсія]] або [[Шкала Фаренгейта|Фаренгейта]], зі значеннями, що нижчі, ніж нуль цих шкал, але, все ж таки, вищі від [[Абсолютний нуль|абсолютного нуля]]. Система з істинно від'ємною температурою в абсолютних термінах на шкалі Кельвіна гарячіша, ніж будь-яка система з додатною температурою. Якщо сконтактувати систему з від'ємною температурою з системою з додатною температурою, тепло буде перетікати від першої до другої системи.

=== «Теплота» від'ємної температури ===
Те, що система з від'ємною температурою тепліша за систему з додатною, видається парадоксальним, якщо абсолютну температуру трактувати як середню кінетичне енергію системи. Цей  парадокс зникає, якщо означати температуру з допомогою строгішого означення через обмін між [[Енергія|енергією]] та [[Ентропія|ентропією]], зі зворотною температурою, [[Термодинамічне бета|термодинамічним бета]], в ролі більш фундаментальної величини. Таким чином: якщо до системи з '''додатною''' температурою '''додати''' енергію, її ентропія '''''зростатиме'''''. Якщо до системи з '''від'ємною''' температурою '''додати''' енергію - її ентропія '''''зменшуватиметься'''''.

== Зв'язок із [[Квантова фізика|квантовою фізикою]] ==
Більшість відомих систем не можуть досягти від'ємної температури, оскільки додавання нової енергії завжди призводить до зростання їхньої ентропії. Можливість зменшення ентропії зі зростанням енергії вимагає, що система була «переповнена» ентропією і щоб одночасно кількість станів з високою енергією лишалася малою. Ці типи систем, обмежені максимальною кількістю енергії, заборонені в класичному випадку. Таким чином, від'ємна температура є суто [[Квантова механіка|квантовим]] явищем. Проте, деякі системи мають максимально можливу енергію, і коли вони досягають цієї енергії, їхня ентропія починає спадати.

==Тепловий та молекулярний розподіл енергії==
Від'ємні енергії можуть існувати лише в системах з обмеженим числом енергетичних станів. Якщо температура в такій системі зросла, частинки рухаються до вищих і вищих енергетичних рівнів, і коли температура зростає, число частинок на нижчих енергетичних рівнях та на вищих стає наближається до однакового значення. (Це є висновком з означення температури в [[Статистична механіка|статистичній механіці]] для систем з обмеженими рівнями.) Вводячи до цих систем відповідним чином енергію, можна створити систему, де більшість частинок знаходиться на вищих енергетичних рівнях, ніж на нижчих. Тоді система характеризуватиметься наявністю від'ємної температури. Речовина з від'ємною температурою не холодніша, ніж при абсолютному нулі і тепліша за нескінченну температуру. За Кіттелем та Кремером: "Температурна шкала від холодного до гарячого є:

+0 K, ... , +300 K, ... , +∞ K, −∞ K, ... , −300 K, ... , −0 K."

Загалом температура визначається кінетичною енергією атомів. Оскільки немає ніякої верхньої границі імпульсу атома, то й немає верхньої границі для числа енергетичних станів, можливих, коли додано достатньо енергії, і немає можливості отримати від'ємну температуру. Проте, більш звично температура означається статистичною механікою, ніж як просто кінетична енергія. Шкала зворотної температури ''β''&nbsp;=&nbsp;1/''kT'' (де ''k'' - [[стала Больцмана]]) пробігає неперервно від низької до високої енергії +∞, ... , −∞.

== Температура та безпорядок ==
Розподіл енергії між різними [[Паралельне перенесення|трансляційною]], [[Коливання|осциляторною]], [[Обертання|обертовою]], [[Електронна конфігурація|електронною]] та [[нуклон]]ною модами системи визначає [[Макроскопічна температура|макроскопічну температуру]]. У «нормальній» системі теплова енергія перебуває в неперервному обміні між різними модами.

Проте іноді буває можливим ізолювати одну чи кілька мод. Фактично, ізольовані моди продовжують обмінюватися енергією з іншими модами, проте цей обмін відбувається значно повільніше, ніж обмін всередині моди. Прикладом може бути випадок нуклонних [[спін]]ів у сильному зовнішньому [[Магнітне поле|магнітному полі]]. В цьому випадку енергія протікає достатньо швидко між спіновими станами взаємодіючих атомів, але трансфер енергії між нуклонними спінами та іншими модами&nbsp;— відносно повільний. Оскільки [[потік енергії]] домінує всередині спінових систем, є сенс говорити про спінову температуру, що відмінна від температури інших мод.

=== Формульне трактування ===
Визначення температури може базуватися на такому співвідношенні:

: <math>
T = \frac{dq_\mathrm{rev}}{dS}
</math>

Воно передбачає, що ''додатна температура'' відповідає умові, де ентропія ''S'' зростає, коли до системи додають теплову енергію ''q''<sub>rev</sub>. Це «нормальна» умова в макроскопічному світі і завжди має місце для трансляційних, осциляторних, ротаційних, електронних та нуклонних мод. Причиною цього є нескінченна кількість цих типів мод, а додавання енергії до системи сприяє зростанню кількості мод, що є енергетично чутливими, і таким чином зростає ентропія.


[[Категорія:Температура]]
[[Категорія:Термодинаміка]]