Temperatura absoluta negativa

La temperatura absoluta negativa  es una temperatura que caracteriza los estados de no equilibrio de un sistema termodinámico, en los que la probabilidad de encontrar un sistema en un microestado con mayor energía es mayor que en un microestado con menor energía.

En estadística cuántica , esto significa que es más probable encontrar un sistema en un nivel de energía con una energía más alta que en un nivel con una energía más baja. Un nivel degenerado de n veces se cuenta entonces como n niveles.

En estadística clásica, esto corresponde a una mayor densidad de probabilidad para puntos en el espacio de fase con mayor energía en comparación con puntos con menor energía. A una temperatura positiva, la relación de probabilidades o sus densidades se invierte.

Para la existencia de estados de equilibrio con temperatura negativa, es necesaria la convergencia de la función de partición a esta temperatura. Condiciones suficientes para esto son: en estadística cuántica - la finitud del número de niveles de energía del sistema, en física estadística clásica - que el espacio de fase accesible al sistema tenga un volumen limitado, y todos los puntos en este espacio accesible correspondan a energías de algún intervalo finito.

En estos casos, existe la posibilidad de que la energía del sistema sea mayor que la energía del mismo sistema en una distribución de equilibrio con cualquier temperatura positiva o infinita. A una temperatura infinita le corresponderá una distribución uniforme y una energía final por debajo de la máxima posible. Si tal sistema tiene una energía más alta que la energía a temperatura infinita, entonces el estado de equilibrio a tal energía solo puede describirse usando una temperatura absoluta negativa.

La temperatura negativa del sistema persiste durante un tiempo suficientemente largo si este sistema está suficientemente bien aislado de los cuerpos con temperatura positiva. En la práctica, se puede realizar una temperatura negativa, por ejemplo, en un sistema de espines nucleares .

Con una temperatura negativa, los procesos de equilibrio son posibles . Tras el contacto térmico de dos sistemas con diferente signo de temperatura, un sistema con temperatura positiva comienza a calentarse y un sistema con temperatura negativa comienza a enfriarse. Para que las temperaturas se igualen, uno de los sistemas debe pasar por una temperatura infinita (en un caso particular, la temperatura de equilibrio del sistema combinado seguirá siendo infinita).

La temperatura absoluta y  es la misma temperatura (correspondiente a una distribución uniforme), pero las temperaturas T=+0 y T=-0 son diferentes. Por lo tanto, un sistema cuántico con un número finito de niveles se concentrará en el nivel más bajo en T=+0 y en el nivel más alto en T=-0. Al pasar por una serie de estados de equilibrio, el sistema puede entrar en la región de temperatura con un signo diferente solo a través de una temperatura infinita.

En un sistema de niveles con inversión de población , la temperatura absoluta es negativa si está definida, es decir, si el sistema está lo suficientemente cerca del equilibrio.

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