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為什麼說熱力學溫度高
為什麼說熱力學溫度高
更新时间:2025-04-02 15:58:06

負熱力學溫度,比絕對零度還“低”的溫度!

看到标題,肯定有人會暗想在胡說,有點熱力學常識的人都知道,絕對零度不可達到,怎麼可能得到比熱力學溫度還低的溫度。


如果你隻看到這裡就下定論,說明你對熱力學溫度的定義,還不夠理解,在特殊情況下,負熱力學溫度是允許存在的,甚至可以理解為“負熱力學溫度是比正無窮大溫度還高的溫度”,相當于正溫度的反轉,而且科學家已經在實驗室,制造了負熱力學溫度。

為什麼說熱力學溫度高(科學家制造出負熱力學溫度)1

要理解其中奧秘,我們得重新理一遍熱力學溫度的定義,溫度是微觀粒子無序運動的宏觀統計現象,統計力學就是聯接微觀粒子和宏觀溫度的橋梁。


在十九世紀,大物理學家麥克斯韋,提出了溫度的微觀統計規律,叫做麥克斯韋分布;後來玻爾茲曼推廣了麥克斯韋分布,現稱之為麥克斯韋-玻爾茲曼分布,在熱力學課程中,可是極為重要的概念。

其中細節我不再詳訴,直接拿出結論,在統計力學中,溫度和微觀粒子的關系變為:

為什麼說熱力學溫度高(科學家制造出負熱力學溫度)2

其中S為系統熵,U為系統内能,V是體積,k就是大名鼎鼎的玻爾茲曼常數,N為系統微觀粒子數,對于簡單的系統,n可以理解為粒子激發态數量,ε為單個激發态粒子的能量。


在平衡态的麥克斯韋-玻爾茲曼分布中,n都是小于0.5N的,但是在數學上,當n>0.5N時,就會出現負溫度,這就是負溫度的來源。

為什麼說熱力學溫度高(科學家制造出負熱力學溫度)3

例如:對于二元體系的具有N個粒子的系統,我們以1/2自旋來代表基态和激發态,粒子自旋方向隻有向上和向下兩種,然後用統計力學來解釋負溫度。

為什麼說熱力學溫度高(科學家制造出負熱力學溫度)4

1、 當N個粒子都指向上方時,系統處于高度有序狀态,此時系統熵S=0;

2、 當我們給系統,注入單個激發态粒子的内能ε時,一共由N種可能,于是系統的無序度,也即是熵S=kLnN;

3、 随着繼續注入内能,系統的熵增加,溫度也随之增加。

4、 直到注入0.5εN時,有一半粒子發生了轉向(向下),此時系統無序度達到最大,熵最大,溫度也達到最大;

5、 然後我們繼續注入内能,系統無序度反而減小,系統的熵也減小,根據溫度定義,此時溫度瞬間反轉為負溫度,随着内能的繼續注入,溫度的絕對值向零變化;

6、 直到注入Nε内能,此時所有粒子指向反轉為下,系統無序度再次回到零。整個過程溫度由零到正最大,然後反轉為負最大,再回到零。

以上過程為簡化的負溫度模型得例子。


在2014年的《自然》雜志上,就刊登了一篇德國物理學家,利用“鉀”原子,巧妙地制造了低于絕對零度的量子氣體,大約為負的十億分子一(K)。

為什麼說熱力學溫度高(科學家制造出負熱力學溫度)5

對于負溫度的研究,科學家推測會産生奇妙的行為,比如負溫度的量子雲,部分會出現反重力現象等等。至于這個說法對不對,還待證實。

科學就是這麼奇妙,一個領域說絕對零度不可達到,一個領域說能創造負溫度,兩者本身沒有矛盾,那麼你能看出來分歧在哪嗎?


好啦!這篇内容就和大家分享到這裡,喜歡我們的讀者朋友,記得點擊關注我們——艾伯史密斯!

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