Mənfi temperatur. Temperatur Bütün il boyu temperatur mənfi

Molekulyar kinetik nəzəriyyədə mütləq temperatur hissəciklərin orta kinetik enerjisinə mütənasib qiymət kimi müəyyən edilir (bax bölmə 2.3). Kinetik enerji həmişə müsbət olduğu üçün mütləq temperatur mənfi ola bilməz. Mütləq temperaturun daha ümumi tərifindən sistemin hissəciklərinin enerji dəyərləri üzərində tarazlıq paylanmasını xarakterizə edən kəmiyyət kimi istifadə etsək, vəziyyət fərqli olacaq (bax. Bölmə 3.2). Sonra Boltzman düsturundan (3.9) istifadə edərək, əldə edəcəyik

Harada N 1 – enerjili hissəciklərin sayı 𝜀 1 , N 2 – enerjili hissəciklərin sayı 𝜀 2 .

Bu düsturun loqarifmlərini götürərək, alırıq

Sistemin tarazlıq vəziyyətində N 2 həmişə azdır N 1 əgər 𝜀 2 > 𝜀 1 . Bu o deməkdir ki, daha yüksək enerji dəyəri olan hissəciklərin sayı daha az enerji dəyəri olan hissəciklərin sayından azdır. Bu vəziyyətdə həmişə T > 0.

Bu düsturu belə qeyri-tarazlıq vəziyyətinə tətbiq etsək, nə vaxt N 2 > N 1 saat 𝜀 2 > 𝜀 1, onda T < 0, т.е. состоянию с таким соотношением числа частиц можно формально по аналогии с предыдущим случаем приписать определенную отрицательную абсолютную температуру. Поскольку при этом формула Больцмана применена к неравновесному распределению частиц системы по энергии, то отрицательная температура является величиной, характеризующей неравновесные системы. Поэтому отрицательная температура имеет иной физический смысл, чем понятие обычной температуры, определение которой неразрывно связано с равновесием.

Mənfi temperatur yalnız sonlu maksimum enerji dəyərinə malik sistemlərdə və ya hissəciklərin qəbul edə biləcəyi sonlu sayda diskret enerji dəyərlərinə malik sistemlərdə əldə edilə bilər, yəni. sonlu ədədlə enerji səviyyələri. Belə sistemlərin mövcudluğu enerji hallarının kvantlaşdırılması ilə bağlı olduğundan, bu mənada mənfi mütləq temperaturlu sistemlərin mövcud olma ehtimalı kvant effektidir.

Məsələn, yalnız iki enerji səviyyəsinə malik olan mənfi mütləq temperaturlu bir sistemi nəzərdən keçirək (Şəkil 6.5). Mütləq sıfır temperaturda bütün hissəciklər ən aşağı enerji səviyyəsindədir və N 2 = 0. Əgər sistemin temperaturunu ona enerji verməklə artırsanız, onda hissəciklər aşağı səviyyədən yuxarıya doğru hərəkət etməyə başlayacaqlar. Məhdudlaşdırıcı vəziyyətdə, hər iki səviyyədə eyni sayda hissəciklərin olduğu bir vəziyyəti təsəvvür etmək olar. Bu vəziyyətə (6.27) düsturunu tətbiq edərək, T = at olduğunu alırıq N 1 = N 2, yəni. sistemdə hissəciklərin vahid enerji paylanması sonsuz yüksək temperatura uyğun gəlir. Əgər bir şəkildə sistem məlumatlandırılırsa əlavə enerji, sonra hissəciklərin aşağı səviyyədən yuxarı səviyyəyə keçidi davam edəcək və N 2-dən böyük olacaq N 1 . Aydındır ki, bu halda (6.27) düsturuna uyğun olaraq temperatur mənfi qiymət alacaq. Sistemə nə qədər çox enerji verilirsə, bir o qədər çox hissəciklər yuxarı səviyyədə olacaq və temperatur bir o qədər mənfi olacaq. Məhdud vəziyyətdə, bütün hissəciklərin yuxarı səviyyədə toplandığı bir vəziyyəti təsəvvür etmək olar; orada N 1 = 0. Deməli, bu vəziyyət 0 K temperatura və ya necə deyərlər, mənfi mütləq sıfır temperaturuna uyğun olacaq. Ancaq bu vəziyyətdə sistemin enerjisi sonsuz böyük olacaqdır.

Məlum olduğu kimi, sistemin nizamsızlığının ölçüsü olan entropiyaya gəlincə, adi sistemlərdə enerjidən asılı olaraq monoton şəkildə artacaq (əyri 1, şək. 6.6), deməli

ənənəvi sistemlərdə olduğu kimi enerji dəyərinin yuxarı həddi yoxdur.

Ənənəvi sistemlərdən fərqli olaraq, sonlu sayda enerji səviyyəsi olan sistemlərdə entropiyanın enerjidən asılılığı əyri 2 ilə göstərilən formaya malikdir. Nöqtəli xəttlə göstərilən bölmə mütləq temperaturun mənfi qiymətlərinə uyğundur.

Entropiyanın bu davranışını daha aydın izah etmək üçün yuxarıda müzakirə edilən iki səviyyəli sistem nümunəsinə yenidən müraciət edək. Mütləq sıfır temperaturda (+0K), nə zaman N 2 = 0, yəni. bütün hissəciklər aşağı səviyyədədir, sistem maksimum nizamlıdır və onun entropiyası sıfırdır. Temperatur yüksəldikcə hissəciklər entropiyada müvafiq artıma səbəb olaraq yuxarı səviyyəyə doğru hərəkət etməyə başlayacaqlar. At N 1 = N 2 hissəcik enerji səviyyələri arasında bərabər paylanacaq. Sistemin bu vəziyyəti ən çox sayda şəkildə təmsil oluna bildiyi üçün maksimum entropiya dəyərinə uyğun olacaq. Hissəciklərin yuxarı səviyyəyə sonrakı keçidi, hissəciklərin enerjilər üzərində qeyri-bərabər paylanması zamanı baş verənlərlə müqayisədə sistemin müəyyən nizamlanmasına gətirib çıxarır. Nəticədə, sistemin enerjisinin artmasına baxmayaraq, onun entropiyası azalmağa başlayacaq. At N 1 = 0, bütün hissəciklər yuxarı səviyyədə toplandıqda, sistem yenidən maksimum nizama sahib olacaq və buna görə də onun entropiyası sıfır olacaq. Bunun baş verdiyi temperatur mənfi mütləq sıfırın temperaturu (-0K) olacaqdır.

Beləliklə, nöqtənin olduğu ortaya çıxır T= – 0K adi mütləq sıfırdan (+0K) ən uzaq vəziyyətə uyğundur. Bunun səbəbi, temperatur şkalasında mənfi mütləq temperaturlar bölgəsinin sonsuz böyük müsbət temperaturdan yuxarıda yerləşməsidir. Üstəlik, sonsuz böyük müsbət temperatura uyğun gələn nöqtə sonsuz böyük mənfi temperatura uyğun gələn nöqtə ilə üst-üstə düşür. Başqa sözlə, artan qaydada (soldan sağa) temperaturların ardıcıllığı belə olmalıdır:

0, +1, +2, … , +

Qeyd etmək lazımdır ki, müsbət temperatur vəziyyətində şərti sistemin qızdırılması ilə mənfi temperatur vəziyyətinə nail olmaq mümkün deyil.

Mənfi mütləq sıfır vəziyyəti, müsbət mütləq sıfır temperatur vəziyyətinin də əlçatmaz olması ilə eyni səbəbdən mümkün deyil.

Temperaturları +0K və –0K olan vəziyyətlərin eyni entropiyaya malik olmasına, sıfıra bərabər olmasına və sistemin maksimum sırasına uyğun olmasına baxmayaraq, onlar tamamilə fərqli iki vəziyyətdir. +0K-da sistem maksimum enerji dəyərinə malikdir və buna nail olmaq mümkün olsaydı, bu, sistemin sabit tarazlıq vəziyyəti olardı. Təcrid olunmuş sistem belə bir vəziyyətdən özbaşına çıxa bilməzdi. –0K-da sistem maksimum enerji dəyərinə malikdir və ona nail olmaq mümkün olsaydı, bu, metastabil vəziyyət olardı, yəni. qeyri-sabit tarazlıq vəziyyəti. O, yalnız sistemə davamlı enerji təchizatı ilə təmin edilə bilər, çünki əks halda öz başına qalan sistem dərhal bu vəziyyətdən çıxacaq. Mənfi temperaturu olan bütün dövlətlər eyni dərəcədə qeyri-sabitdir.

Temperaturu mənfi olan cisim müsbət temperaturlu cisimlə təmasda olarsa, enerji birinci bədəndən ikinciyə keçəcək, əksinə deyil (adi müsbət mütləq temperaturu olan cisimlərdə olduğu kimi). Buna görə də, hər hansı sonlu mənfi temperaturu olan bir cismin hər hansı müsbət temperaturu olan bədəndən daha "isti" olduğunu düşünə bilərik. Bu halda, termodinamikanın ikinci qanununu ifadə edən bərabərsizlik (ikinci xüsusi düstur)

şəklində yazıla bilər

burada müsbət temperaturlu cismin istiliyinin qısa müddət ərzində dəyişdiyi miqdar, mənfi temperaturlu cismin istilik miqdarının eyni vaxtda dəyişdiyi miqdardır.

Aydındır ki, bu bərabərsizlik yalnız və yalnız = dəyəri mənfi olduqda təmin edilə bilər.

Temperaturu mənfi olan sistemin halları qeyri-sabit olduğundan, real hallarda belə vəziyyətləri yalnız o zaman əldə etmək olar ki, sistem ətrafdakı müsbət temperaturlu cisimlərdən yaxşı təcrid olunduqda və belə vəziyyətlər xarici təsirlər tərəfindən saxlanılsın. Mənfi temperaturların alınması üçün ilk üsullardan biri yerli fiziklər N.G. tərəfindən yaradılmış molekulyar generatorda ammonyak molekullarının çeşidlənməsi üsulu idi. Basov və A.M. Proxorov. Mənfi temperaturlar impulslu elektrik sahəsinə məruz qalan yarımkeçiricilərdə və bir sıra digər hallarda qaz boşalmasından istifadə etməklə əldə edilə bilər.

Maraqlıdır ki, mənfi temperaturlu sistemlər qeyri-sabit olduğundan, müəyyən tezlikli şüalanma onlardan keçdikdə, hissəciklərin daha aşağı enerji səviyyələrinə keçməsi nəticəsində əlavə radiasiya yaranacaq və oradan keçən şüalanmanın intensivliyi onlar artacaq, yəni. sistemlərində mənfi udma var. Bu effekt kvant generatorlarının və kvant gücləndiricilərinin (maserlərdə və lazerlərdə) işində istifadə olunur.

Qeyd edək ki, adi mütləq sıfır temperatur ilə mənfi arasındakı fərq, birinciyə mənfi temperaturlar tərəfdən, ikinciyə isə müsbət olanlar tərəfdən yaxınlaşmağımızdır.

Əgər bu kitabın əvvəlində verilmiş temperatur tərifindən, yəni temperaturun hissəciklərin orta kinetik enerjisinə mütənasib olmasından çıxış etsək, bu paraqrafın adı mənasız görünür: axı, kinetik enerji mənfi ola bilməz! Və yalnız enerjinin olduğu atom sistemləri üçün kinetik enerji hissəciklərin hərəkəti, mənfi temperaturun əslində heç bir fiziki mənası yoxdur.

Ancaq xatırlayaq ki, temperaturun molekulyar kinetik təyini ilə yanaşı, Chap. Hissəciklərin enerji paylanmasını təyin edən kəmiyyət kimi temperaturun rolunu da qeyd etdim (bax: səhifə 55). Bunu daha çox istifadə etsəniz ümumi anlayış temperatur, onda biz mənfi temperaturların mövcudluğu ehtimalına (ən azı prinsipcə) gələcəyik.

Boltzmanın düsturunun (9.2) olduğunu görmək asandır.

temperaturun yalnız müsbət deyil, həm də mənfi dəyərlər almasına rəsmi olaraq "imkan verir".

Əslində, bu düsturda bu, enerjili vəziyyətdə olan hissəciklərin nisbətidir və bu, enerjinin ölçüldüyü bəzi başlanğıc enerjisi olan bir vəziyyətdə olan hissəciklərin sayıdır , bu enerjiyə sahib olan hissəciklərin nisbəti nə qədər az olar. Beləliklə, məsələn, zamanlar təbii loqarifmlərin əsasından az olduqda). Və hissəciklərin əhəmiyyətli dərəcədə kiçik bir hissəsi artıq enerjiyə malikdir: bu vəziyyətdə, Boltzmann qanununun tətbiq olunduğu tarazlıq vəziyyətində həmişə daha az olduğu aydındır.

Bərabərliyin (9.2) loqarifmini götürərək alırıq: haradan

Bu ifadədən aydın olur ki, əgər o zaman

Bununla belə, bundan daha çoxunun ola biləcəyi bir atom sisteminin olduğu ortaya çıxsa, bu, temperaturun da mənfi qiymətlər ala biləcəyini ifadə edərdi, çünki at mənfi olur.

Klassik sistemi (mənfi temperaturun həyata keçirilə bilmədiyi) yox, kvant sistemini nəzərdən keçirsək və həmçinin entropiya anlayışından istifadə etsək, bunun hansı şəraitdə mümkün olduğunu başa düşmək bizim üçün daha asan olacaq.

az əvvəl gördüyümüz kimi, sistemdəki pozğunluq dərəcəsini təyin edən bir kəmiyyətdir.

Sistem onun enerji səviyyələrinin diaqramı ilə təmsil olunsun (bax, məsələn, Şəkil 1, səh. 17). Mütləq sıfır temperaturda sistemimizin bütün hissəcikləri ən aşağı enerji səviyyələrindədir və bütün digər səviyyələr boşdur. Belə şəraitdə sistem maksimum nizamlıdır və onun entropiyası sıfırdır (istilik tutumu da sıfırdır).

Əgər indi ona enerji verməklə sistemin temperaturunu artırsaq, onda hissəciklər daha yüksək enerji səviyyələrinə keçəcək, beləliklə, onlar da qismən məskunlaşacaqlar və temperatur nə qədər yüksək olarsa, onun “əhali” də bir o qədər çox olar. daha yüksək enerji səviyyələri. Hissəciklərin enerji səviyyələri üzrə paylanması Boltsman düsturu ilə müəyyən edilir. Bu o deməkdir ki, daha yüksək səviyyələrdə daha aşağı səviyyələrə nisbətən daha az hissəcik olacaq. Zərrəciklərin bir çox səviyyələrdə “dağılması”, əlbəttə ki, sistemdəki pozğunluğu artırır və temperaturun artması ilə onun entropiyası da artır. Ən böyük nizamsızlıq və buna görə də maksimum entropiya, hissəciklərin bütün enerji səviyyələrində bərabər paylandıqları enerji ilə belə bir paylanması ilə əldə edilə bilər. Belə bir paylama o deməkdir ki, düsturda o deməkdir ki, enerjilər üzərində hissəciklərin vahid paylanması sonsuz yüksək temperatura və maksimum entropiyaya uyğundur.

Lakin burada bəhs etdiyimiz kvant sistemində belə bir paylanma qeyri-mümkündür, çünki səviyyələrin sayı sonsuz, hissəciklərin sayı isə sonludur. Ona görə də belə sistemdə entropiya maksimumdan keçmir, temperaturla birlikdə monoton şəkildə artır. Sonsuz yüksək temperaturda entropiya da sonsuz yüksək olacaqdır.

İndi elə bir sistemi (kvant) təsəvvür edək ki, onun daxili enerjisinin yuxarı həddi var və enerji səviyyələrinin sayı sonludur. Bu, təbii ki, yalnız enerjiyə hissəciklərin hərəkətinin kinetik enerjisi daxil olmayan sistemdə mümkündür.

Belə bir sistemdə mütləq sıfır temperaturda hissəciklər də yalnız ən aşağı enerji səviyyələrini tutacaq və entropiya sıfıra bərabər olacaqdır. Temperatur yüksəldikcə hissəciklər daha yüksək səviyyələrdə “yerləşir” və müvafiq olaraq entropiyanın artmasına səbəb olur. Şəkildə. 99 və iki enerji səviyyəsi olan bir sistem təqdim olunur. Lakin, sistemin enerji səviyyələrinin sayı, onun tərkibindəki hissəciklərin sayı kimi, indi sonlu olduğundan, nəticədə hissəciklərin enerji səviyyələri arasında bərabər paylandığı vəziyyətə nail olmaq olar. Bayaq gördüyümüz kimi, bu vəziyyət sonsuz yüksək temperatura və maksimum entropiyaya uyğundur.

Bu halda, sistemin enerjisi də müəyyən maksimumda olacaq, lakin sonsuz böyük olmayacaq, buna görə də hissəciklərin orta enerjisi kimi köhnə temperatur tərifimiz tətbiq olunmaz hala gəlir.

Əgər biz indi artıq sonsuz yüksək temperaturda olan sistemə hansısa yolla əlavə enerji versək, onda hissəciklər daha yüksək enerji səviyyəsinə keçməyə davam edəcək və bu, bu yüksək enerji səviyyəsinin “əhali”nin artmasına səbəb olacaq. aşağıdan daha böyük olacaq (Şəkil 99, b). Aydındır ki, hissəciklərin yüksək səviyyədə bu cür üstünlük təşkil etməsi artıq, yəni hissəciklərin enerjilər üzərində vahid paylanması zamanı mövcud olan tam pozğunluqla müqayisədə müəyyən nizamlanma deməkdir. Maksimum səviyyəyə çatan entropiya, buna görə də daha çox enerji təchizatı ilə azalmağa başlayır. Ancaq artan enerji ilə entropiya artmır, əksinə azalırsa, bu, temperaturun müsbət deyil, mənfi olması deməkdir.

Sistemə nə qədər çox enerji verilirsə, bir o qədər çox hissəcik ən yüksək enerji səviyyələrində olacaqdır. Limitdə, bütün hissəciklərin ən yüksək səviyyədə toplandığı bir vəziyyəti təsəvvür etmək olar. Bu vəziyyət də açıq-aydın çox nizamlıdır. Bu, bütün hissəciklərin ən aşağı səviyyələri tutduğu vəziyyətdən "pis" deyil: hər iki halda sistemdə tam nizam hökm sürür və entropiya sıfırdır. Beləliklə, biz "adi" mütləq sıfırdan fərqli olaraq, bu ikinci tam nizamlı vəziyyətin qurulduğu temperaturu -0 ilə təyin edə bilərik. və ikinciyə - müsbət temperaturlar tərəfdən.

Beləliklə, sistemin düşünülə bilən temperaturları mütləq sıfırdan sonsuzluğa qədər olan intervalla məhdudlaşmır, əksinə --dən -ə qədər uzanır və bir-biri ilə üst-üstə düşür. Şəkildə. Şəkil 100 sistemin enerjisinə qarşı entropiya əyrisini göstərir. Əyrinin maksimumun solunda olan hissəsi müsbət temperaturlara, onun sağında isə mənfi olanlara uyğundur. Maksimum nöqtədə temperatur dəyəri

Nizamlılıq və buna görə də entropiya baxımından aşağıdakı üç ekstremal vəziyyət mümkündür:

1. Tam sifariş - hissəciklər ən aşağı enerji səviyyələrində cəmləşir. Bu vəziyyət "normal" mütləq sıfıra uyğundur

2. Tam pozğunluq - hissəciklər bütün enerji səviyyələrində bərabər paylanır. Bu vəziyyət temperatura uyğundur

3. Yenidən sifarişi tamamlayın - hissəciklər yalnız ən yüksək enerji səviyyələrini tutur. Bu vəziyyətə uyğun olan temperatura -0 dəyəri təyin edilir.

Buna görə də biz burada paradoksal bir vəziyyətlə məşğul oluruq: mənfi temperaturlara çatmaq üçün sistemi mütləq sıfırdan aşağı soyutmamalı idik, bu, mümkün deyil, əksinə, onun enerjisini artırmalıdır; mənfi temperaturun sonsuz yüksək temperaturdan daha yüksək olduğu ortaya çıxır!

Bayaq qeyd etdiyimiz iki tam nizamlı vəziyyət - temperaturları olan dövlətlər arasında çox mühüm fərq var.

“Adi” mütləq sıfır vəziyyəti, əgər sistemdə yaradıla bilsəydi, onda etibarlı şəkildə təcrid olunmaq şərti ilə qeyri-müəyyən müddətə qalardı. mühit, bu mühitdən sistemə enerji verilməməsi mənasında təcrid olunur. Bu vəziyyət sabit tarazlıq vəziyyətidir ki, sistemin öz-özünə kənar müdaxilə olmadan oradan çıxa bilməz. Bu, bu vəziyyətdə sistemin enerjisinin minimum dəyərə malik olması ilə bağlıdır.

Digər tərəfdən, mənfi mütləq sıfır vəziyyəti son dərəcə qeyri-tarazlıq vəziyyətidir, çünki. sistemin enerjisi maksimumdur. Əgər sistemi bu vəziyyətə gətirmək, sonra öz ixtiyarına buraxmaq mümkün olsaydı, o, dərhal bu qeyri-bərabər, qeyri-sabit vəziyyətdən çıxacaqdı. Onu yalnız sistemə davamlı olaraq enerji verməklə saxlamaq olar. Bu olmadan, daha yüksək enerji səviyyələrində yerləşən hissəciklər, şübhəsiz ki, aşağı səviyyələrə "düşəcək".

Hər iki "sıfır" ın ümumi xüsusiyyəti onların əlçatmazlığıdır: onlara nail olmaq üçün sonsuz böyük miqdarda enerji sərf etmək lazımdır.

Bununla belə, təkcə -0 temperatura uyğun gələn vəziyyət deyil, həm də mənfi temperaturlu bütün vəziyyətlər qeyri-sabitdir, qeyri-tarazdır. Onların hamısı qiymətlərə uyğundur və tarazlıq üçün tərs əlaqə lazımdır

Artıq mənfi temperaturların daha çox olduğunu qeyd etdik yüksək temperatur müsbətlərdən daha çox. Buna görə də gətirsək

mənfi temperaturlara qədər qızdırılan (soyudulmuş demək olmaz) bədən istiliyi müsbət olan bir cisimlə təmasda olur, sonra enerji birincidən ikinciyə keçəcək, əksinə deyil və bu, onun temperaturu daha yüksəkdir, baxmayaraq ki, mənfidir. Temperaturu mənfi olan iki cisim təmasda olduqda, enerji mütləq temperaturu aşağı olan bədəndən rəqəmi temperaturu daha yüksək olan bədənə keçir.

Həddindən artıq qeyri-tarazlıq vəziyyətində olan mənfi temperatura qədər qızdırılan cisim enerjini çox həvəslə verir. Buna görə də belə bir vəziyyətin yaranması üçün sistem digər cisimlərdən (hər halda ona bənzər olmayan, yəni sonlu sayda enerji səviyyəsinə malik olmayan sistemlərdən) etibarlı şəkildə təcrid olunmalıdır.

Ancaq mənfi temperaturlu bir vəziyyət o qədər balanssızdır ki, bu vəziyyətdə olan bir sistem təcrid olunsa və enerji ötürəcək heç kim olmasa belə, bir vəziyyətə (tarazlıq) keçənə qədər radiasiya şəklində enerji verə bilər. ) müsbət temperatur ilə.

Əlavə etmək qalır ki, məhdud enerji səviyyələri dəsti olan atom sistemləri, gördüyümüz kimi, mənfi temperaturlu bir vəziyyətə nail oluna bilər, yalnız təsəvvür edilə bilən bir nəzəri konstruksiya deyil. Belə sistemlər əslində mövcuddur və əslində mənfi temperaturlar onlarda əldə edilə bilər. Mənfi temperaturlu vəziyyətdən normal temperaturlu vəziyyətə keçid zamanı yaranan radiasiya praktiki olaraq xüsusi cihazlarda istifadə olunur: molekulyar generatorlar və gücləndiricilər - maserlər və lazerlər. Amma biz burada bu məsələnin üzərində daha ətraflı dayana bilmərik.

Mənfi temperatur

mənfi mütləq temperatur, yüksək enerji səviyyələrinin aşağı olanlardan daha çox məskunlaşdığı kvant sisteminin qeyri-tarazlıq vəziyyətlərini təsvir etmək üçün təqdim edilən kəmiyyət. Tarazlıqda enerjiyə malik olma ehtimalı E n düsturla müəyyən edilir:

Burada E i - sistemin enerji səviyyələri, k- Boltzmann sabiti, T- tarazlıq sisteminin orta enerjisini xarakterizə edən mütləq temperatur U = Σ (W n E n), (1) dən aydın olur ki, nə vaxt T> 0 aşağı enerji səviyyələri yuxarıdakılardan daha çox hissəciklərlə məskunlaşır. Xarici təsirlərin təsiri altında bir sistem, aşağı səviyyələrə nisbətən yuxarı səviyyələrin daha çox əhalisi ilə xarakterizə olunan qeyri-tarazlıq vəziyyətinə keçirsə, formal olaraq (1) düsturundan istifadə edə bilərik. T

Termodinamikada mütləq temperatur T qarşılıqlı dəyərlə müəyyən edilir 1/ T, entropiyanın törəməsinə bərabərdir (Bax: Entropiya) S digər parametrləri sabit olan sistemin orta enerjisinə əsaslanır X:

(2)-dən belə çıxır ki, O. t orta enerjinin artması ilə entropiyanın azalması deməkdir. Bununla belə, termodinamika tarazlıq termodinamikası qanunlarının tətbiqinin şərti olduğu qeyri-tarazlıq vəziyyətlərini təsvir etmək üçün təqdim olunur.

O. t olan bir sistemə misal olaraq, maqnit sahəsində yerləşən, kristal qəfəsin istilik titrəyişləri ilə çox zəif qarşılıqlı əlaqədə olan bir kristalda nüvə spinləri sistemini göstərmək olar (Bax: Kristal qəfəslərin titrəmələri), yəni praktik olaraq təcrid olunmuş. istilik hərəkəti. Spinlər və qəfəs arasında istilik tarazlığının qurulması üçün tələb olunan vaxt onlarla dəqiqə ilə ölçülür. Bu müddət ərzində nüvə spinləri sistemi xarici təsir altında keçdiyi O. t ilə bir vəziyyətdə ola bilər.

Daha dar mənada, OPT kvant sisteminin iki seçilmiş enerji səviyyəsinin populyasiyanın inversiya dərəcəsinin xarakteristikasıdır. Populyasiyanın termodinamik tarazlığı vəziyyətində N 1 Və N 2 səviyyələri E 1 Və E 2 (E 1 E 2), yəni bu vəziyyətlərdə hissəciklərin orta sayı Boltzman düsturu ilə əlaqələndirilir:

Harada T - maddənin mütləq temperaturu. (3) dən belə nəticə çıxır N 2 N 1. Sistemin tarazlığını pozarsanız, məsələn, tezliyi səviyyələr arasında keçid tezliyinə yaxın olan monoxromatik elektromaqnit şüalanma ilə sistemə təsir edin: ω 21 = ( E 2 - E 1)/ħ və digər keçidlərin tezliyindən fərqlənirsə, onda yuxarı səviyyənin əhalisinin aşağıdan daha yüksək olduğu bir dövlət əldə etmək mümkündür. N 2 > N 1. Əgər belə bir qeyri-tarazlıq vəziyyətinə Boltzman düsturunu şərti olaraq tətbiq etsək, o zaman bir cüt enerji səviyyəsinə münasibətdə E 1 Və E 2 Düsturdan istifadə edərək O.t daxil edə bilərsiniz:

Bu tərifin formal xarakterinə baxmayaraq, bir sıra hallarda əlverişli olduğu ortaya çıxır, məsələn, O. t ilə tarazlıq və qeyri-bərabər sistemlərdəki dalğalanmaları təsvir etməyə imkan verir; Kvant elektronikası anlayışı populyasiya inversiyası olan mühitlərdə gücləndirmə və generasiya proseslərini təsvir etmək rahatlığı üçün kvant elektronikasında istifadə olunur (bax: Kvant elektronikası).

D. N. Zubarev.

Böyük Sovet Ensiklopediyası. - M.: Sovet Ensiklopediyası. 1969-1978 .

Digər lüğətlərdə "Mənfi temperatur"un nə olduğuna baxın:

Ölçü... Fiziki ensiklopediya

mənfi temperatur- Keçid temperaturu mənasını verən tərs vəziyyət üçün xarakterikdir. [Tövsiyə olunan şərtlər toplusu. Məsələ 75. Kvant elektronikası. SSRİ Elmlər Akademiyası. Elmi və Texniki Terminologiya Komitəsi. 1984] Mövzular: kvant elektronikası EN... ... Texniki Tərcüməçi Bələdçisi

mənfi temperatur- neigiamoji temperatūra statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Temperatūra, žemesnė už 0 ºC. attikmenys: ingilis. mənfi temperatur vok. mənfi Temperatur, f rus. mənfi temperatur, f pranc. temperatur və ya dessous ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

mənfi temperatur- neigiamoji temperatūra statusas T sritis fizika atticmenys: engl. mənfi temperatur vok. mənfi Temperatur, f rus. mənfi temperatur, f pranc. temperatur mənfi, f … Fizikos terminų žodynas

mənfi temperatur- Ters vəziyyətin xüsusiyyətləri, yəni keçid temperaturu... Politexnik terminoloji izahlı lüğət

Bir termodinamik sistemin tarazlıq vəziyyətlərini xarakterizə edən temperatur, daha yüksək enerjiyə malik mikro vəziyyətdə sistemin tapılma ehtimalı daha aşağı olan mikro vəziyyətdən daha yüksəkdir. Kvant statistikasında bu o deməkdir ki... ... Vikipediya

Temperatur (latınca temperatura, düzgün qarışdırma, mütənasiblik, normal vəziyyət) makroskopik sistemin termodinamik tarazlıq vəziyyətini xarakterizə edən fiziki kəmiyyət. T. təcrid olunmuş sistemin bütün hissələri üçün eynidir...

I Temperatur (latınca temperatura, düzgün qarışdırma, mütənasiblik, normal vəziyyət) makroskopik sistemin termodinamik tarazlıq vəziyyətini xarakterizə edən fiziki kəmiyyətdir. T. izolyasiya edilmiş bütün hissələri üçün eyni... Böyük Sovet Ensiklopediyası

Ölçü Θ Ölçü vahidləri SI K ... Vikipediya

Sistemlərin (atomlar, ionlar, molekullar) enerji səviyyələrinin populyasiyanın inversiya dərəcəsini xarakterizə edən temperatur ölçüsünə malik mənfi kəmiyyət ... Böyük ensiklopedik lüğət

Daha yüksək enerjiyə malik mikro vəziyyətdə sistemin tapılma ehtimalı daha aşağı olan mikro vəziyyətdən daha yüksək olan termodinamik sistemlər.

Kvant statistikasında bu o deməkdir ki, daha yüksək enerjili bir enerji səviyyəsində bir sistem tapma ehtimalı daha aşağı enerjili bir səviyyədən daha yüksəkdir. N-qat degenerasiya səviyyəsi n səviyyə hesab olunur.

Klassik statistikada bu, daha yüksək enerjiyə malik faza məkanındakı nöqtələr üçün daha aşağı enerjili nöqtələrlə müqayisədə daha yüksək ehtimal sıxlığına uyğundur. Müsbət bir temperaturda ehtimalların nisbəti və ya onların sıxlığı əksinədir.

Mənfi temperaturlu tarazlıq hallarının mövcud olması üçün statistik cəm bu temperaturda yaxınlaşmalıdır. Bunun üçün kifayət qədər şərtlər bunlardır: kvant statistikasında - sistemin enerji səviyyələrinin sayının sonluğu, klassik statistik fizikada - sistem üçün əlçatan olan faza fəzasının məhdud həcmə malik olması və bu əlçatan məkanda bütün nöqtələrin enerjilərə uyğun olması. müəyyən sonlu intervaldan.

Bu hallarda istənilən müsbət və ya sonsuz temperaturla tarazlıq paylanmasında sistemin enerjisinin eyni sistemin enerjisindən yüksək olması ehtimalı var. Sonsuz temperatur vahid paylanmaya və mümkün olan maksimumdan aşağı olan son enerjiyə uyğun olacaq. Əgər belə bir sistem sonsuz temperaturda enerjidən daha yüksək enerjiyə malikdirsə, onda belə bir enerjidəki tarazlıq vəziyyəti yalnız mənfi mütləq temperaturdan istifadə etməklə təsvir edilə bilər.

Bu sistem müsbət temperaturlu cisimlərdən kifayət qədər yaxşı izolyasiya olunarsa, sistemin mənfi temperaturu kifayət qədər uzun müddət qalır. Təcrübədə mənfi temperatur, məsələn, nüvə spinləri sistemində həyata keçirilə bilər.

Mənfi temperaturlarda tarazlıq prosesləri mümkündür. Fərqli temperatur əlamətləri olan iki sistem arasında istilik təması olduqda, müsbət temperaturlu sistem qızmağa, mənfi temperaturlu sistem isə soyumağa başlayır. Temperaturların bərabər olması üçün sistemlərdən biri sonsuz temperaturdan keçməlidir (müəyyən bir halda birləşmiş sistemin tarazlıq temperaturu sonsuz qalacaq).

Mütləq temperatur + ∞ (\displaystyle +\infty ) Və − ∞ (\displaystyle -\infty )- bu eyni temperaturdur (vahid paylanmaya uyğundur), lakin T=+0 və T=-0 temperaturları fərqlənir. Beləliklə, sonlu sayda səviyyəyə malik kvant sistemi ən aşağı səviyyədə T=+0, ən yüksək səviyyədə isə T=-0 səviyyəsində cəmləşəcəkdir. Bir sıra tarazlıq vəziyyətlərindən keçərək, sistem yalnız sonsuz temperatur vasitəsilə fərqli işarəli bir temperatur bölgəsinə daxil ola bilər.

Əhali inversiyasına malik səviyyəli sistemdə mütləq temperatur müəyyən edilərsə, yəni sistem tarazlığa kifayət qədər yaxın olarsa, mənfi olur.

Ensiklopedik YouTube

1 / 3

Mütləq temperatur ➽ Fizika 10 sinif ➽ Video dərs

Birincisi, qeyd edirik ki, mənfi mütləq temperaturu olan vəziyyətlər ideyası Nerstin mütləq sıfıra çatmağın mümkünsüzlüyü haqqında teoreminə zidd deyil.

Yalnız iki enerji səviyyəsinə malik olan mənfi mütləq temperaturlu bir sistemi nəzərdən keçirək. Mütləq sıfır temperaturda bütün hissəciklər ən aşağı səviyyədədir. Temperaturun artması ilə bəzi hissəciklər aşağı səviyyədən yuxarıya doğru hərəkət etməyə başlayır. Müxtəlif temperaturlarda birinci və ikinci səviyyələrdə hissəciklərin sayı arasındakı əlaqə enerji paylanmasını aşağıdakı formada təmin edəcəkdir:

Temperatur artdıqca ikinci səviyyədəki hissəciklərin sayı birinci səviyyədəki hissəciklərin sayına yaxınlaşacaq. Sonsuz yüksək temperaturun məhdudlaşdırıcı vəziyyətində hər iki səviyyədə eyni sayda hissəcik olacaq.

Beləliklə, intervaldakı hissəciklərin sayının istənilən nisbəti üçün

sistemimizə bərabərliklə müəyyən edilmiş intervalda müəyyən statistik temperatur təyin edilə bilər (12.44). Bununla belə, in xüsusi şərtlər baxılan sistemdə ikinci səviyyədəki hissəciklərin sayının birinci səviyyədəki hissəciklərin sayından çox olmasını təmin etmək olar. Hissəciklərin sayının belə nisbəti olan bir vəziyyətə, nəzərdən keçirilən birinci vəziyyətə bənzətməklə, müəyyən bir statistik temperatur və ya paylama modulu da təyin edilə bilər. Lakin (12.44)-dən göründüyü kimi, statistik paylanmanın bu modulu mənfi olmalıdır. Beləliklə, nəzərdən keçirilən vəziyyətə mənfi mütləq temperatur təyin edilə bilər.

Baxılan nümunədən aydın olur ki, bu şəkildə tətbiq edilən mənfi mütləq temperatur heç bir halda mütləq sıfırdan aşağı temperatur deyil. Həqiqətən, əgər mütləq sıfırda sistem minimal daxili enerjiyə malikdirsə, temperaturun artması ilə sistemin daxili enerjisi artır. Ancaq yalnız iki enerji səviyyəsi olan hissəciklər sistemini nəzərdən keçirsək, onun daxili enerjisi aşağıdakı kimi dəyişəcəkdir. Bütün hissəciklər enerji ilə daha aşağı səviyyədə olduqda, buna görə də daxili enerji sonsuz yüksək temperaturda hissəciklər səviyyələr (şək. 71) və daxili enerji arasında bərabər paylanır:

yəni sonlu qiymətə malikdir.

İndi mənfi temperatur təyin etdiyimiz vəziyyətdə sistemin enerjisini hesablasaq, belə çıxır ki, bu vəziyyətdə olan daxili enerji sonsuz böyük müsbət temperaturda enerjidən daha çox olacaqdır. Həqiqətən,

Beləliklə, mənfi temperaturlar müsbət olanlardan daha yüksək daxili enerjilərə uyğundur. Mənfi və müsbət temperaturlu cisimlərin istilik təması zamanı enerji mənfi mütləq temperaturlu cisimlərdən müsbət temperaturlu cisimlərə keçir. Buna görə mənfi temperaturda olan cisimlər müsbət olanlardan daha "isti" hesab edilə bilər.

düyü. 71. Mənfi mütləq temperaturlar anlayışının izahına doğru

Mənfi paylanma modulu olan daxili enerji haqqında yuxarıda göstərilən mülahizələr mənfi mütləq temperaturu sonsuz böyük müsbət temperaturdan yüksək hesab etməyə imkan verir. Belə çıxır ki, temperatur şkalasında mənfi mütləq temperaturlar bölgəsi “mütləq sıfırdan aşağı” deyil, “sonsuz temperaturdan yuxarı”dır. Bu halda, sonsuz böyük müsbət temperatur sonsuz böyük mənfi temperaturun "yanındadır", yəni.

Mənfi temperaturun böyüklüyündə azalması sistemin daxili enerjisinin daha da artmasına səbəb olacaqdır. Bütün hissəciklər ikinci səviyyədə toplanacağı üçün sistemin enerjisi maksimuma çatdıqda:

Sistemin entropiyası tarazlıq vəziyyətlərində mütləq temperaturun işarəsinə görə simmetrik olur.

Mənfi mütləq temperaturun fiziki mənası statistik paylanmanın mənfi modulu ideyasına gəlir.

Sistemin vəziyyəti mənfi mütləq dəyəri olan statistik paylanma ilə təsvir edildikdə, mənfi temperatur anlayışı təqdim edilə bilər.

Belə çıxır ki, bəzi sistemlər üçün belə vəziyyətlər müxtəlif fiziki şəraitdə həyata keçirilə bilər. Onlardan ən sadələri müsbət temperaturlu ətraf sistemlərlə zəif qarşılıqlı əlaqədə olan sistemin enerjisinin sonluğu və bu vəziyyəti xarici qüvvələr tərəfindən saxlamaq qabiliyyətidir.

Həqiqətən, mənfi temperaturlu bir vəziyyət yaratsanız, yəni daha çox işləsəniz, kortəbii keçidlər sayəsində hissəciklər daha aşağı enerjili bir vəziyyətə keçə biləcəklər qeyri-sabit. Onu uzun müddət saxlamaq üçün səviyyədəki hissəciklərin sayını azaltmaqla səviyyədəki hissəciklərin sayını artırmaq lazımdır.

Məlum oldu ki, nüvə maqnit momentləri sistemləri sonlu enerji tələbini ödəyir. Həqiqətən, spin maqnit anları var müəyyən sayda oriyentasiya və buna görə də maqnit sahəsində enerji səviyyələri. Digər tərəfdə; nüvə spinləri sistemində nüvə maqnit rezonansının köməyi ilə spinlərin çoxu ən yüksək enerji ilə vəziyyətə, yəni ən yüksək səviyyəyə ötürülə bilər. Aşağı səviyyəyə qayıtmaq üçün nüvə spinləri kristal qəfəslə enerji mübadiləsi aparmalı olacaqlar ki, bu da kifayət qədər uzun vaxt aparacaq. Spin-torlu relaksasiya müddətindən daha qısa müddət ərzində sistem mənfi temperaturlu vəziyyətlərdə ola bilər.

Baxılan nümunə mənfi temperaturlu sistemləri əldə etməyin yeganə yolu deyil.

Mənfi temperaturu olan sistemlərdə bir var maraqlı xüsusiyyət. Əgər belə bir sistemdən enerji səviyyələrindəki fərqə uyğun tezlikli radiasiya keçirsə, o zaman ötürülən radiasiya

əlavə radiasiya ilə müşayiət olunan hissəciklərin aşağı səviyyəyə keçidini stimullaşdıracaq. Bu effekt kvant generatorlarının və kvant gücləndiricilərinin (mazerlər və lazerlər) işində istifadə olunur.