Espontánea de la conversión de calor en trabajo en temperaturas negativas

Question

Considere la posibilidad de un pesado objeto macroscópico se mueve en un gas. La fricción causa, su energía cinética se convierte en calor. Termodinámicamente, hay (eficacia), no la entropía asociada con la energía cinética debido a que toda la energía se concentra en un solo grado de libertad. Por lo tanto, si una cantidad $J$ de la energía se convierte a partir de la energía cinética en calor, el cambio de entropía total es $J/T$, así que podemos ver que este es un proceso espontáneo.

Pero ahora considere un objeto en movimiento con respecto a un gas con la temperatura negativa. Tal cosa ha sido creada en el laboratorio, así que esto no es vanas especulaciones teóricas. Si una cantidad $J$ de la energía cinética se convierte en calor, la entropía total cambio es todavía $J/T$, pero ahora esto es negativo. Esto parece significar que el proceso inverso de conversión de calor en energía cinética, la aceleración del objeto - sería espontánea.

Esto se generaliza a todos los demás procesos que convierten el trabajo en calor. Por ejemplo, al realizar el calentamiento de Joule experimento con un negativo de temperatura de gas debe causar la pala a la vez, y la negativa de la temperatura del gas que fluye a través de una tubería debe experimentar una aceleración de la fuerza en lugar de una desaceleración. Como superfluids tener cero viscosidad, parece que la negativa de la temperatura de líquidos debe tener un impacto negativo en la viscosidad.

Me doy cuenta de que esto no lleva a que el movimiento perpetuo. Como el calor se convierte en trabajo el inverso de la temperatura ($1/T$) aumentará hasta llegar a cero. Pero, ¿qué aspecto raro es que en algunas de las formas en que la flecha del tiempo parece ser revertido.

Me doy cuenta de que experimentalmente estamos muy lejos de ser capaz de producir las cantidades macroscópicas de negativa de la temperatura de los líquidos que sería necesario con el fin de observar estas cosas. Pero, ¿es posible, en principio? Y si lo es, ¿realmente podemos ver los fenómenos que he descrito, o es que hay algo de razón fundamental por la que no ocurriría después de todo? Y tiene una conexión entre las temperaturas negativas y la flecha del tiempo ha discutido o debatido en la literatura?

Answer 1

Lo que usted describe no es posible en principio.

La temperatura de un sistema macroscópico se define por 1/T = dS/dE .
Pero S = k.Registro W donde W es el número de estados microscópicos, así tenemos :
1/T = k/W . dW/dE

Ahora los procesos de definición de la temperatura habitual de los sistemas de traducción (gases y líquidos) y de la vibración (sólidos) y por tanto dW/dE > 0 lo que explica por qué la temperatura en la termodinámica clásica es siempre positivo.
Sin embargo, existe también el dipolo magnético de la energía y en este caso cuando se aplica un campo magnético (dE>0) los dipolos se alinean con el campo y dW<0 lo que significa que el "magnética" de temperatura es negativo.

Las ecuaciones anteriores no son suficientes para definir una temperatura de un sistema macroscópico, la energía equipartition es necesario. Esto último se da en el equilibrio térmico.
La razón por la que la energía equipartition es necesario es que si no fuera el caso, los diferentes grados de libertad que tienen diferentes 1/W . dW/dE lo temperaturas diferentes y no existe una única temperatura para el sistema macroscópico.
Este es un conocido fenómeno de la baja densidad de los gases, donde la estadística no es más Maxwell Boltzmann y para lo cual se ha de definir a 2 temperaturas diferentes vibratorio y de traslación. El sistema en este caso no tiene más de un bien se define la temperatura de su comportamiento debe ser estudiado por mirar detallado de las interacciones locales.

En un sistema macroscópico a muy baja temperatura en equilibrio tendríamos : traslación de temperatura = temperatura vibracional ~ 0. Si tal sistema sólo había 2 (o N) posibles estados de spin, entonces la aplicación de un campo magnético iba a poner el sistema fuera de equilibrio y de una (muy) breve tiempo que nos habría de traslación de la temperatura = temperatura vibracional ~ 0 y el giro de la temperatura < 0.
Incluso si una única temperatura no es más definidos, uno podría decir que el sistema como un todo tiene una especie de "no equilibrio negativo de temperatura".

Ahora, si mueve su macroscópica sólido (se supone que es en T ~0) en un sistema tal, que inmediatamente se aumente el número de microscópicas de la traducción y la vibración de los estados por las colisiones ("fricción") lo que aumentaría la traslación y vibración de las temperaturas. Estos grados de libertad sería a su vez interactúan con el giro y aumentar el número de estados de spin correo.g aumento de la tirada de la temperatura.

Finalmente, después de un tiempo muy corto en equilibrio tendría de nuevo traslación de temperatura = temperatura vibracional = girar temperatura > 0. Y por supuesto, nada especial sucedió con la flecha del tiempo.

Answer 2

Si usted todavía está alrededor, Nathaniel, que puede ser interesante en este seguimiento de papel, y el resumen en el mismo problema. En esencia, los autores sostienen que para tener un máximo de energía, la cual es necesaria para la negativa de la temperatura de inversión de la población, uno debe ser necesariamente en el microcanonical conjunto. Pero en este conjunto, la única definición de la entropía que es termodinámicamente coherente no es la noción de que Braun et al uso, sino uno diferente, que es idéntico en el límite termodinámico, pero siempre es monótonamente creciente con la energía, por lo que la temperatura negativa no es posible.

Todavía estoy digiriendo este argumento a mí, así que voy a dejar a usted y cualquiera de los otros colaboradores para decidir sus méritos. Pero al menos creo que es razonable decir que, mientras que no hay ninguna controversia sobre cuál es el Braun experimento lo hizo, se debe tener cierto cuidado en la extrapolación de sus implicaciones en la manera que son.