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热力学温度的本质

发布时间:2019-09-12 08:27 来源:未知 编辑:admin

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  工程热力学中提到的绝对温度,都是绝对温度零度以上的正绝对温度。但是,在20世纪50年代以后,在核磁共振和激光效应的研究,发现核自旋系统和激光系统中,粒子只具有基态和激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下,基态的粒子数多于激发态的粒子数。但是,在核自旋系统和激光系统中则相反,激发态的粒子数却超过了基态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式,如果激发态粒子(原子或分子)数大于基态的粒子数,则绝对温度应该为负值,即能够出现负的绝对温度。

  这是由于根据玻尔兹曼的粒子分布函数表达式,当绝对温度高于无穷大时,才能实现激发态粒子数超过基态的粒子数,才能出现负绝对温度。也就是说,负绝对温度系统的能量大于无穷大绝对温度的能量,导致负绝对温度实际上高于正绝对温度。

  经典热力学中的温度没有最高温度的概念,只有理论最低温度“绝对零度”。热力学第三定律指出,“绝对零度”是无法通过有限次步骤达到的。在统计热力学中,温度被赋予了新的物理概念——描述体系内能随体系混乱度(即熵)变化率的强度性质热力学量。由此开创了“热力学负温度区”的全新理论领域。通常我们生存的环境和研究的体系都是拥有无限量子态的体系,在这类体系中,内能总是随混乱度的增加而增加,因而是不存在负热力学温度的。而少数拥有有限量子态的体系,如激光发生晶体,当持续提高体系内能,直到体系混乱度已经不随内能变化而变化的时候,就达到了无穷大温度,此时再进一步提高体系内能,即达到所谓“粒子布居反转”的状态下,内能是随混乱度的减少而增加的,因而此时的热力学温度为负值!但是这里的负温度和正温度之间不存在经典的代数关系,负温度反而是比正温度更高的一个温度!经过量子统计力学扩充的温标概念为:无限量子态体系:正绝对零度正温度正无穷大温度,有限量子态体系:正绝对零度正温度正无穷大温度=负无穷大温度负温度负绝对零度。正、负绝对零度分别是有限量子态体系热力学温度的下限和上限,均不可通过有限次步骤达到。

  工程热力学中提到的绝对温度,都是绝对温度零度以上的正绝对温度。但是,在20世纪50年代以后,在核磁共振和激光效应的研究,发现核自旋系统和激光系统中,粒子只具有基态和激发态两种能量形态。在正绝对温度条件下,基态的粒子数多于激发态的粒子数。但是,在核自旋系统和激光系统中则相反,激发态的粒子数却超过了基态的粒子数。根据玻尔兹曼的粒子分布函数表示式,如果激发态粒子(原子或分子)数大于基态的粒子数,则绝对温度应该为负值,即能够出现负的绝对温度。

  这是由于根据玻尔兹曼的粒子分布函数表达式,当绝对温度高于无穷大时,才能实现激发态粒子数超过基态的粒子数,才能出现负绝对温度。也就是说,负绝对温度系统的能量大于无穷大绝对温度的能量,导致负绝对温度实际上高于正绝对温度。

  经典热力学中的温度没有最高温度的概念,只有理论最低温度“绝对零度”。热力学第三定律指出,“绝对零度”是无法通过有限次步骤达到的。在统计热力学中,温度被赋予了新的物理概念——描述体系内能随体系混乱度(即熵)变化率的强度性质热力学量。由此开创了“热力学负温度区”的全新理论领域。通常我们生存的环境和研究的体系都是拥有无限量子态的体系,在这类体系中,内能总是随混乱度的增加而增加,因而是不存在负热力学温度的。而少数拥有有限量子态的体系,如激光发生晶体,当持续提高体系内能,直到体系混乱度已经不随内能变化而变化的时候,就达到了无穷大温度,此时再进一步提高体系内能,即达到所谓“粒子布居反转”的状态下,内能是随混乱度的减少而增加的,因而此时的热力学温度为负值!但是这里的负温度和正温度之间不存在经典的代数关系,负温度反而是比正温度更高的一个温度!经过量子统计力学扩充的温标概念为:无限量子态体系:正绝对零度正温度正无穷大温度,有限量子态体系:正绝对零度正温度正无穷大温度=负无穷大温度负温度负绝对零度。正、负绝对零度分别是有限量子态体系热力学温度的下限和上限,均不可通过有限次步骤达到。

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