Temperatura por debajo de cero absoluto?

Question

Vi este artículo en Nature el día de hoy, en el que se menciona por ejemplo, arXiv:1211.0545.

Y no tiene sentido para mí. La temperatura de una colección de partículas es la energía cinética media de esas partículas. La energía cinética no puede ser menor que cero (como lo que yo sé), así que no entiendo lo que este artículo está tratando de decir, a menos que estén jugando con la convencional de la definición de "temperatura".

La única cosa que puedo cosa es que si usted tiene algo así como:

$$\frac{1}{kT} ~=~ \left(\frac{\partial S}{\partial E}\right)_{N,V}$$

Y ellos han creado una situación en la que la entropía disminuye con el aumento de la energía.

Answer 1

Su hipótesis de que

si usted tiene algo así como: $$\frac{1}{kT}=\left(\frac{\partial S}{\partial E} \right)_{N,V}$$ Y ellos han creado una situación en la que la entropía disminuye con el aumento de la energía.

es exactamente correcto. El concepto negativo de la temperatura absoluta, aunque en un principio contrario a la intuición, es bien conocida. Usted puede encontrar algunos otros ejemplos en Wikipedia.

En tu pregunta dices que la temperatura es de "el promedio de la energía cinética de ... partículas". Estrictamente hablando, esto sólo es cierto para un gas ideal, aunque a menudo una buena aproximación en otros sistemas, siempre y cuando la temperatura no es muy baja. Es un poco más preciso decir que la temperatura es igual a la media de energía por cada grado de libertad en el sistema, sino que es una aproximación demasiado de energía por cada grado de libertad serían $E/S$, mientras que el $T$ es realmente proporcional a $\partial E/\partial S$, como usted dice. Es mucho mejor pensar de $\partial E/\partial S$ como la definición de la temperatura, y la "energía por cada grado de libertad" cosa " como una aproximación que es útil en situaciones de alta temperatura, donde el número de grados de libertad no depende mucho de la energía.

Como Christoph señaló en un comentario, la importancia de que el nuevo resultado es que han logrado negativas de la temperatura mediante dinámicas grados de libertad. Usted puede leer la información completa en este arXiv pre-impresión de los originales en papel, el cual fue publicado en la Ciencia.

Answer 2

Un informe reciente (irónicamente, en la Naturaleza) explica que la negativa de la temperatura es un concepto basado en un incoherente definición de la entropía:

Dunkel, Hilbert (2014): de conformidad thermostatistics prohíbe la negativa absoluta de temperaturas:

• http://web.mit.edu/newsoffice/2013/its-a-negative-on-negative-absolute-temperatures-1220.html
• http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n1/full/nphys2815.html
• http://arxiv.org/pdf/1304.2066v1.pdf

Los autores afirman, que si uno utiliza una definición coherente de la entropía (la de Gibbs) temperaturas negativas no son posibles. Así que no eres el único que piensa que las temperaturas negativas no tienen sentido.

Answer 3

Una respuesta simple es que un negativo de temperatura puede ocurrir cuando uno tiene un revés de distribución de Boltzmann. Normalmente mayores niveles de energía no son más poblada de los más bajos. Pero es posible forzar más los sistemas en niveles superiores. Es una manera de alinear gira en un campo magnético y, a continuación, invertir en el campo. Otra es por la excitación láser. Cuando esto sucede, la formal, la temperatura es negativo. Pero tenga en cuenta que este es un estado metaestable y tan pronto como las restricciones mantener elimina, el sistema vuelve a la "normalidad".

Answer 4

Que la definición de la temperatura promedio de la energía cinética de todas las partículas es coloquial. La información contenida en la especificación de la temperatura de cualquier sistema es mucho más de lo que se puede inferir a partir de conocer la energía cinética de todas las partículas individuales (si alguna vez podemos hacerlo). Se dan cuenta de que la Temperatura es un concepto estadístico, mientras que K. E. no, no tiene sentido decir que la temperatura de una entidad individual en un sistema es algo de temperatura o de un grupo de entidades es algo, el número de entidades que se constituyen en un sistema que tiene que ser de gran tamaño suficiente (de avogadro es el número de orden) para la definición de que la temperatura se mantenga. Ir a la segunda parte del problema, Vamos a $\Omega(S,V,N)$ el número de microstates un sistema puede tomar y $\epsilon$ ser el energy.By clásica de la mecánica estadística, la definición de la inversa de la temperatura (que es $\frac{1}{\kappa T}$ es; $$\frac{\delta ln(\Omega)}{\delta \epsilon}$$ This is same definition as defined in thermodynamics. And more importantly, in statistical mechanics, temperature is a function of energy, $\epsilon$. Now, there is nothing that says, $\Omega$ has to be a monotonically increasing function of $\epsilon$. Imagine una situación en la que hay un montón de niveles de energía y, a continuación, un límite superior nivel. Por lo que el número de estados que subir y luego bajar por hacer que la pendiente negativa y por lo tanto la temperatura.