ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Термодинамика систем с отрицательными температурами из "Термодинамика и статистическая физика " Следующая простая модель показывает, как на практике осуществляются отрицательные термодинамические температуры. [c.115] О и 180°. Оба эти положения спина являются одинаково устойчивыми, хотя для магнитной стрелки компаса устойчиво только одно ее положение — вдоль напряженности магнитного поля. В этом состоит отличие квантовой системы от классической. [c.115] Сформулируем основное условие, которому должна удовлетворять система, находящаяся в состоянии с любой отрицательной термодинамической температурой энергия термодинамической системы должна иметь конечное предельное значение при Г- схз и конечное число энергетических уровней. [c.116] Разумеется, система должна быть теплоизолирована от всяких других систем, не удовлетворяющих основному условию, т. е. время установления термодинамического равновесия в системе должно быть малым по сравнению с временем, за которое заметная энергия теряется или приобретается от других систем. [c.116] Зависимость внутренней энергии системы, способной находиться в состояниях с отрицательной абсолютной температурой, от температуры показана на рис. 16 ( гр — граничное значение энергии при Т=оо). [c.116] Равновесная система с отрицательной абсолютной температурой была впервые осуществлена в 1951 г. Перселлом и Паундом Е результате экспериментов по изучению свойств системы ядерных спинов в очень чистых кристаллах фтористого лития LiF. У этих кристаллов время п спин-решеточной релаксации при комнатной температуре порядка 5 мин, а время тг спин-спиновой релаксации приблизительно равно периоду ларморовской прецессии ядерного магнитного момента во внешнем магнитном поле, значение которого меньше 10 с. [c.117] Во внешнем магнитном поле энергия системы ядерных спинов имеет верхнюю границу при Г-- оо. [c.117] Таким образом, у системы ядерных спинов LiF в магнитном поле выполняются все условия существования равновесных состояний с отрицательной температурой. Перселл и Паунд перевели эту систему из состояния с положительной температурой в состояние с отрицательной температурой, направив напряженность внешнего магнитного поля против ядерных магнитных моментов. [c.117] В настоящее время приведение спиновой системы в состояние с отрицательной абсолютной температурой достигается с помощью 180-градусного высокочастотного импульса, который, действуя на образец в течение промежутка времени А , сравнимого с Т2, поворачивает макроскопический магнитный момент на 180°. Таким образом, процесс перехода системы из положительных термодинамических температур к отрицательным является принципиально неравновесным, так как изменение внешнего параметра (напряженности поля), приводящее к такому переходу, происходит за время, сравнимое с временем релаксации тг. Очевидно, что для необычных систем возможны случаи, когда состояния, достижимые из данного состояния нестатически, недостижимы из него квазистатически. [c.117] Системы с отрицательными абсолютными температурами обладают рядом специфических свойств, которых нет у обычных систем. Чтобы установить эти свойства, сформулируем, опираясь на опыт, вначале основные законы термодинамики для таких систем. [c.118] Прежней остается также формулировка второго начала термодинамики в виде закона о существовании и возрастании энтропии, другие же формулировки этого начала изменяются. Выберем за исходное такое выражение второго начала, которое непосредственно следует из опыта по превращению теплоты в работу и работы в теплоту. [c.118] Поэтому второе начало для необычных систем при Г ОК можно сформулировать в следующем виде невозможен вечный двигатель второго рада, причем это утверждение допускает обращение. [c.119] Это означает, что в замкнутом круговом процессе при Г 0 К ни теплоту нельзя превратить в работу без компенсации (имеется в виду первый элемент компенсации), ни работу в теплоту (имеется в виду второй элемент компенсации). [c.119] Таким образом, для любых систем (обычных и необычных) можно исходить из следующей формулировки второго начала невозможен вечный двигатель второго рода, причем это утверзкде-ние не допускает обращения в случае обычных систем и допускает обращение при Т 0 К для необычных систем. [c.119] Определения равновесного и неравновесного процессов остаются без изменения. [c.120] Значение ЯфО, так как в противном случае это означало бы, что необратимый процесс 1—2 можно провести в обратном порядке без компенсации. Значение так как в противном случае это означало бы, что за цикл внешняя работа затрачена на нагревание термостата без всякогг) изменения в других телах, что (см. [c.120] Рассмотрим теперь некоторые свойства систем в состояниях с отрицательной абсолютной температурой. [c.121] Нетрудно также убедиться, что при тепловом контакте систем с температурами разных знаков теплота переходит от тел с отрицательной температурой к телу с положительной температурой, т. е. опять-таки от горячего тела к холодному. [c.122] Поскольку температура теплоотдатчика больше, чем теплоприемника, то Т Т2, T2 Ti, 7 2/7 i 1 и, следовательно, Т1 0. Это означает, что при отрицательной абсолютной температуре, для того чтобы теплоту отнять от горячего тела и передать холодному, необходимо затратить работу. При этом согласно первому началу холодному телу сообщается больше теплоты, чем отнято у горячего на совершенную работу. Когда такой двигатель действует в противоположном направлении, т. е. выполняет роль холодильной машины, то при переносе теплоты от холодного тела к горячему им производится работа. Если потом с помощью теплового контакта обоих тел позволить перейти теплоте от горячего тела к холодному, то получим периодически работающий двигатель, который, не вызывая никаких изменений в окружающей среде, производит работу за счет теплоты одного (холодного ) тела. Как видим, в области отрицательных абсолютных температур можно осуществить вечный двигатель второго рода Томсона— Планка. [c.122] КПД цикла Карно, действующего между отрицательными температурами, так же, как и в области положительных температур, меньше единицы. Это означает, что как при положительных, так и при отрицательных температурах тепловые двигатели поглощают теплоту больше, чем производят работу. [c.122] Вернуться к основной статье