ببینید ما و کسانیکه با مکانیک سر کار دارند دما را اینطور نشون میدن $ T^{-1}=\frac{\partial S}{\partial E}\;,$جایی که s و Eبه ترتیب آنتروپی و انرژی را نشان می دهد. دما اندازه گیری کیفیت حالت یک ماده است
این عبارت به تعریف دما به ماکمک می کند اما به خودی خود تعریف را کامل نمی کند. دمایک مقیاسی عددی برای گرم بودن یک سیستم ترمودینامیکی است. چنین گرمی در یک منیفولد یک بعدی تعریف شود ، که بین گرم و سرد کشیده می شود. و قانون دوم ز آنجا که دما بر انتقال گرما بین دو سیستم حاکم است و جهان تمایل به پیشرفت حداکثر آنتروپی دارد ، انتظار می رود که بین دما و آنتروپی رابطه ای وجود داشته باشد. موتور حرارتی یک دستگاه برای تبدیل انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی، و در نتیجه عملکرد کار است. و تجزیه و تحلیل موتور حرارتی کارنو روابط لازم را فراهم می کند. کار از یک موتور حرارتی مربوط به تفاوت بین گرمای وارد شده به سیستم در دمای بالا ، q H و گرمای استخراج شده در دمای پایین ، q C است . بازده کار تقسیم بر ورودی گرما است:عامل انتقال حرارت در یک سیستم، اختلاف دما بین دو نقطه از آن است. همانند اختلاف ولتاژ که منجر به ایجاد جریان الکتریکی میشود، اختلاف دما نیز دلیل ایجاد شار حرارتی است. مقدار کلی انرژی حرارتی منتقل شده Q در بازه زمانی Δt،
یا طبق قانون هدایت گرمایی فوریه گرادیان دما منفی هست $ P_c = -\kappa A \frac{dT}{dx}$که نشان دهنده فرایند های خودبخودی در دو جسم بلا احختلاف دما دارند.گرما یک خاصیت مقداری (Extensive) است. به این معنا که تغییر دما در نتیجه گرمای منتقل شده به یک سیستم بستگی به تعداد مولکولهای موجود در سیستم دارد
دما به عنوان میانگین انرژی جنبشی کلیه مولکولها در کنار هم تعریف میشود؛ یعنی انرژی متوسط کل ذرات موجود در یک جسم.
دمای یک ماده به اندازه (تعداد ذرات) و نوع آن متکی نیست
دما دارای خاصیت شدتی Intensive است؛ به این ترتیب که دما به مقدار ماده بستگی ندارد و در طول سیستم تغییری نمیکند (تا زمانی که دما در کل سیستم یکسان شود
هنگام ارائه تعریفی از دما ، معمولاً شروع با یک تعریف تجربی این است که یک سیستم با دمای گرمتر تمایل به از دست دادن گرما به سیستم با دمای سردتر دارد. همراه با قانون دوم ترمودینامیک ، منجر به شرایطی می شود که برای دو سیستم در تعادل ترمودینامیکی
یک توضیح فیزیکی برای دمای منفی کلوین که یکی پرسیده بود
$(\frac{\partial E}{\partial S})=T $یک سیستم دو حالته با سطح انرژی گسسته E1 و E2 که E2> E1 حاوی ذرات N است.
ما به راحتی می توانیم نتیجه بگیریم که حالت حداکثر آنتروپی زمانی است که سطح انرژی E1 و E2 هر کدام حاوی ذرات N2 باشد.می بینیم که وقتی انرژی به عنوان تابعی از آنتروپی افزایش می یابد ، دما نیز افزایش می یابد.
این بدان معناست که ، برای سیستم دو حالته ما ، هر بار که ذره ای سطح E2 را جمع می کند ، افزایش متناظر دما وجود دارد ، زیرا این جمعیت باعث افزایش آنتروپی می شود.
وقتی از نقطه حداکثر آنتروپی که در آن ذرات N2 در E1 و E2 وجود دارد فراتر برویم ، چه می کنیم؟
خوب ، پس ما در حال اضافه کردن انرژی به سیستم هستیم ، اما آنتروپی در حال کاهش است.
بر اساس فاکتور بولتزمن ، این امر ممکن نیست مگر اینکه دمای سیستم منفی باشد. که$ \frac{P_1}{P_2}=e^{-\frac{(E_1-E_2)}{kT}}$که به بی نهایت نزدیک می شود مگر اینکه یکی بگوید سیستم دمای مطلق منفی دارد.
حال به این نکته رسیده ایم: این افزایش انرژی که به کاهش آنتروپی متصل است همان چیزی است که دمای کلوین منفی نامیده می شود. این اغلب با وارونگی جمعیت در لیزر مرتبط است.
مرا بخاطر گفتن چیزهایی که از قبل می دانید ببخشید
هر چند همه اینها سوالات زیادی را ایجاد می کند ، جالب توجه ترین نکته برای من این است که به نظر من توضیح بدنی خوبی برای چگونگی امکان پذیر بودن آن وجود ندارد. به عنوان مثال ، وقتی مردم می گویند سیستم دمای منفی "گرمتر" است ، معنی آن را می گیرم تا آنجا که می گویم گرما از دمای منفی جریان خواهد داشت. سیستم به یک . سیستم موقت
. بنابراین ، آیا معنای ماکروسکوپی فیزیکی این جمله وجود دارد که دمای منفی "گرمتر" است؟
در مورد وارونگی جمعیت در لیزر: آیا این بدان معنی نیست که دمای منفی لازم برای وجود آن لیزر باید "گرم" باشد و هیچ فرد فانی قادر به اداره چنین دستگاهی نیستاز این گذشته ، دمای مطلق منفی اغلب "گرمتر از دمای بیکران" توصیف می شود. (من این مکان های دیگر را نیز شنیده ام ، اما همچنین مقاله نکاتی را مشاهده می کنم. ویکی پدیا برای نقل قول.) من این را دوباره از منظر ریاضی می فهمم ، اما ارتباط فیزیکی چیست؟
دما در واقع به معنای تعریف کلاسیک دما منفی است. آنچه در واقع در وارونگی جمعیت اتفاق می افتد این است که ذرات دیگر توزیع انرژی بولتزمن را دنبال نمی کنند. مقایسه درجه حرارت یک سیستم توزیع شده بولتزمن با یک سیستم غیر بولتزمن ممکن است اصلاً معنی دار نباشد. مردم می گویند دمای منفی از هر دمای مثبت گرمتر است زیرا ، در صورت تماس ، گرما از جسم دمایی منفی به دمای مثبت خواهد رسید. این مسئله به این دلیل ساده است که جسم دمایی منفی ذرات بیشتری در حالت انرژی بالاتر (که ناپایدار است) دارد. ذرات تمایل به توزیع مجدد خود در تعادل گرمایی (توزیع بولتزمن) دارند.
لیزرها دقیقاً دمای منفی ندارند. آنها غالباً پرورش می یابند زیرا آنها یکی از نمونه های محل وارونگی جمعیت هستند. وارونگی جمعیت در سطح انرژی الکترون ها اتفاق می افتد ، نه در انرژی های گرمایی. بنابراین اگر "دمای" سطح انرژی الکترون را در نظر می گرفتید ، لیزرها دمای منفی دارند. این با دمای فیزیکی شما متفاوت است منبع جواب شما
https://physics.stackexchange.com/