熱力學中負溫度是什麼概念？

01-25

已解決

負溫度、負開爾文溫度是熱力學與統計物理的一個概念，描述非熱平衡態的。

假設一個簡單的系統，系統中所有的原子只能佔據E0、E1兩個能級，E0&1、當所有原子處在下能級E0時，處於完全有序的狀態，熵為零；

2、當所有原子處於上能級E1時，也處於完全有序的狀態，熵也為零。

3、當E0、E1各有一部分原子數時，系統粒子分布的無序程度增加，熵增。

這就有意思了，因為都在低能級時系統能量最低，都在高能級時系統能量最高，3時不高不低。

畫一下分布大概是這個走勢：（之前畫錯了，應該是二項式分布）

還記得大明湖……呸，熱力學基本方程嗎？

均相封閉系統中

$dU=TdS-pdV$

於是有

$(partial U/partial S)_{V} =T$

翻一下就是

$(partial S/partial U)_{V} =1/T$

-所以……圖中這個斜率 $partial S/partial U$ 為零是什麼鬼？……

-不管，根據公式，此時T=∞

-所以……曲線後半部分單調遞減， $partial S/partial U$ 為負是什麼鬼？……

-不管，根據公式，此時T為負

-……你tm逗我？

從來沒人規定開放系統的熱力學溫度不能為負啊，從邏輯上看很合理啊~

熱力學第三定律只是說，孤立系統在自發過程中的熵總是增加，穩態時熵達到最大。

這就提示我們，一個開放系統通過與外界的能量交換，可以遠離熱平衡態，達到熵減。

具體到激光器而言，就是通過外界做功（泵浦），使粒子能量大量激發到高能級上，處於非熱平衡態，開爾文溫度為負；

負溫度時，由玻爾茲曼分布，光子簡併度 $ar{n} =frac{n1f0}{n0f1} =exp(-frac{hv}{kT} )>1$

即： $frac{n1}{f1} >frac{n0}{f0}$

f1、f2是下能級、上能級的簡併度。簡單地，f0=f1時，n1&>n0。

史稱粒子數反轉。

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這我以前的一個回答講了負溫度系統。

系統熵隨著能量上升下降。