Система с отрицательной термодинамической температурой

Система с отрицательной термодинамической температурой [c.115]

Большинство систем не удовлетворяет указанным выше требованиям, вследствие чего системы с отрицательными абсолютными температурами встречаются редко. Система ядерных спинов у некоторых кристаллов удовлетворяет этим условиям . Термодинамическое равновесие в такой системе устанавливается посредством ядерного спин-спинового взаимодействия. Этот спин-спиновой процесс установления термодинамического равновесия характеризуется временем релаксации Т2, которое имеет порядок 10 с. Взаимодействие спиновой системы с решеткой характеризуется временем релаксации Xj, которое составляет многие минуты, т. е. значительно больше I2. В термодинамике спиновых систем взаимодействие с решеткой соответствует утечке теплоты сквозь стенки системы. Значительное различие времен Ti и Т2 приводит к тому, что система спинов по достижении внутреннего термодинамического равновесия еще относительно большое время остается в практической изоляции от решетки. В течение этого времени можно говорить о термодинамически равновесной спиновой системе. [c.140]

Более 40 лет назад в результате изучения парамагнитной релаксации в кристаллах было установлено, что во многих случаях совокупность спиновых моментов можно выделить в отдельную, не обладающую пространственными степенями свободы термодинамическую систему, характеризующуюся температурой, отличной от темпера уры образца. Особенностью этой спиновой системы является ограниченность спектра, что приводит к возможности нахождения ее как в равновесных состояниях с положительной, так и в равновесных состояниях с отрицательной термодинамической температурой (см. гл. 7). [c.173]

Считая (в соответствии с принятым условием , определяющим, какая температура больше, а какая — меньше) температуру Т положительной, мы приходим к выводу, что обычные системы не могут иметь отрицательных термодинамических температур. [c.62]

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->со и конечное число энергетических уровней. [c.139]

В гл. 3 мы отмечали, что второе начало термодинамики устанавливает, во-первых, общую закономерность превращения теплоты в работу и, во-вторых, выражает специфические закономерности как обычных, так и необычных систем. Общая закономерность превращения теплоты в работу в обоих случаях систем состоит в том, что при таком превращении в замкнутом круговом процессе часть теплоты непременно отдается рабочим телом другим телам. Этот (первый) элемент компенсации, который в случае обычных систем совпадает со вторым элементом компенсации (изменением термодинамического состояния других тел), приводит к существованию энтропии у равновесной системы (см. 13). Отсюда следует, что второе начало, сформулированное Каратеодори, не изменяется вблизи каждого состояния любой термически однородной системы существуют такие состояния, которые недостижимы из него адиабатным путем. Это означает, что у всякой равновесной системы в состоянии с отрицательной абсолютной температурой (как и в случае обычных систем) существует энтропия как функция ее состояния [c.142]

Термодинамика систем с отрицательными температурами изложена в гл. 7. Из этой главы можно заключить, что все вышеприведенные утверждения о системах с отрицательными температурами ошибочны. Спиновые состояния с отрицательными температурами — это равновесные состояния, и поэтому к ним применимо термодинамическое понятие температуры. Состояния эти являются устойчивыми, но в отличие от обычных систем их устойчивость характеризуется не минимумом внутренней энергии и энергии Гиббса, а максимумом этих функций (см. 34). Что касается того, что системы с отрицательной температурой остынут при контакте с телами, имеюш ими положительную температуру, то тело с /=10 С тоже остынет при контакте с термостатом, имеющим температуру / = 5° С, однако это не означает, что первоначальное состояние тела было неравновесным и неустойчивым. Теплый воздух в закрытой комнате зимой тоже остынет через характерное время теплопередачи через стены, хотя состояние воздуха все время равновесно и устойчиво. Состояния с отрицательной температурой нельзя представлять себе как состояния водного раствора соли в стакане в первые секунды после его переворачивания вверх дном, когда плотность раствора вверху больше, чем внизу, и система имеет избыток механической энергии, переходящей со временем в энергию теплового движения. При отрицательной температуре (см. 33) в системе могут быть проведены различные обратимые процессы, чего принципиально нельзя было бы сделать при неравновесном состоянии системы. [c.174]

Принимая это равенство за определение термодинамической температуры, мы видим, что если внутренняя энергия системы в некоторой области состояний может быть такой, что частная производная по энтропии (1) оказывается отрицательной, то соответствующее состояние будет состоянием с отрицательной температурой. [c.347]

Из уравнения (л) видно, что при переходе из одного состояния в другое в рамках одной пространственно-временной системы абсолютная температура Г не может менять знак на обратный. Она может быть всегда положительной или всегда отрицательной. Считая абсолютную температуру Т положительной, приходим к выводу, что обычные термодинамические системы не могут иметь отрицательных абсолютных температур. Вместе с тем уравнение (л) позволяет осуществить практическое построение абсолютной шкалы температур, например, путем сопоставления с идеальным термометром, наполненным идеальным газом, хотя идеальный термометр — это лишь абстракция. [c.61]

В системе единиц СИ принята абсолютная термодинамическая шкала температур Кельвина (К), не имеющая отрицательных значений температур, причем 1" С = 1° К. Значение температуры по этой шкале вычисляется из соотношений Гк = ( с + 273,16) te = Т к — 273,16, где te и Гк — температура в градусах С и К. [c.6]

На рис. 168 поверхность идеального стеклообразования представлена полуосью (заштрихованная часть) отрицательных значений. Сингулярная поверхность Sg сводится к точке е = 0. Эволюция системы в процессе охлаждения характеризуется траекторией С, которая в зависимости от скорости охлаждения либо пересекает (Сг) полуокружность, расположенную вблизи сингулярной точки, либо нет ( j). При медленном охлаждении траектория С не заходит в сингулярную область, и поэтому реализуется режим спонтанной кристаллизации в точке плавления, соответствующей термодинамической температуре плавления. При скоростях, отвечающих траектории j, реализуется режим переохлаждения, при котором в точке Tg происходит спонтанное стеклование. Особенности поведения синергетической системы авторы [474] связывают не с коллективным поведением системы как целого, а с перестройкой в ограниченных клас- [c.292]

Единицы температуры. В системе единиц СИ принята абсолютная термодинамическая шкала температур Кельвина (°К), не имеющая отрицательных значений температур, причем 1°С= 1° К. [c.664]

Измерение температуры. В Международной системе единиц принята абсолютная термодинамическая шкала температур. Эта шкала не имеет отрицательных значений температур. Температура по абсолютной термодинамической шкале Т = (Г С+ 273,16) К. [c.263]

При отсутствии термодинамического равновесия распределение частиц по энергетическим уровням может быть произвольным , поэтому, если в основу определения температуры положить распределение Больцмана, то состояние системы, когда на нижнем уровне находится больше частиц, чем на верхнем, будет описываться положительной, а в противном случае — отрицательной температурой. В соответствии с таким определением температуры, если, например, в двухуровневой системе все частицы находятся на нижнем энергетическом уровне, то ей соответствует температура перехода, равная = + О К если же все частицы находятся на верхнем энергетическом уровне (полная инверсия системы), то —О К состоянию системы, когда верхний и нижний уровни населены одинаково (насыщение системы), соответствует сх)К. Схематически это показано на рис. 3.1. [c.17]

В случаях, когда в эксперименте управляют температурой стенки (обогрев циркулирующей жидкостью через стенку трубы или конденсирующимся паром, а также электрообогрев в сочетании с конвективным охлаждением при использовании достаточно сложной системы автоматического регулирования), удается в стационарном режиме исследовать процесс переходного кипения. Этому процессу отвечает неестественная отрицательная зависимость q(AT), когда с ростом перегрева стенки тепловой поток снижается (участок СЕ на рис. 8.3). В переходном кипении температура стенки не превышает температуру спинодали, так что термодинамически контакт жидкости со стенкой возможен. Но из-за чрезвычайно высокого перегрева жидкость при таких контактах мгновенно вскипает, и образующийся пар снова отталкивает ее от стенки. Схема на рис. 8.3, г отражает наличие точек контакта жидкости с горячей твердой по- [c.346]

Понятие Т. применяют также для характеристики неравновесных систем (см. Термодинамика неравновесных процессов) путём введения Т., зависящей от координат и времени. В квантовой статистике используют обобщённое понятие Т. Нек-рые квантовые системы могут находиться в возбуждённых состояниях, к-рые формально характеризуются как состояния с отрицат. абс. Т. (см. Отрицательная температура). Это не противоречит термодинамике, т. к. последняя строго определяет Т. лишь равновесных состояний. Состояния же с отриц. абс. Т., рассматриваемые в статистич. физике, термодинамически неравновесны. [c.62]

Электродные потенциалы металлов — важная термодинамическая характеристика, определяющая их поведение в электролитах. В системе металл- Электролит существует разность потенциалов (потенциал) между металлом и приэлектродным слоем электролита. При установившемся равновесии между металлом и раствором его соли потенциал является равновесным электродным потенциалом данного металла. За нулевой электродный потенциал условно принят стандартный водородный электрод, по отношению к которому измеряются стандартные электродные потенциалы металлов (при активности ионов металла в электролите, равной единице, и при постоянной температуре, равной 25°С). Значения стандартных электродных потенциалов металлов изменяются от отрицательных до положительных и соответственно располагаются в ряд по отношению к стандартному нулевому водородному электроду. [c.14]

Это хорошо согласуется с более сильной блокировкой дислокации конденсированной атмосферой по сравнению с разбавленной. Таким образом, при распределении Ферми — Дирака число примесных атомов в атмосфере должно увеличиваться с удалением от центра дислокации. Интересным в связи с этим является вопрос о степени вероятности нахождения примесного атома непосредственно в ядре дислокации. Как было показано [И, с. 298], с учетом отрицательного изменения при деформационном старении энтропии (во всяком случае для твердых растворов замещения) вероятность нахождения примесных атомов в ядре меньше, чем вне его —в атмосфере. Это связано с тем, что при размещении атома в ядре дислокации происходит настолько заметное уменьшение энтропии системы, что делает подобное размещение термодинамически маловероятным. Со снижением температуры и уменьшением вклада энтропии в изменение свободной энергии становится возможным нахождение примесных атомов как в ядре, так и в атмосфере. Однако в первом случае концентрация их меньше, что дает два значения расстояний между точками закрепления дислокаций — больше для ядра и меньше для атмосферы. Этот весьма интересный вопрос с точки зрения теории и практики деформационного старения требует дальнейших исследований. [c.34]

В соответствии с уравнением (6.1) теплота этого цикла также должна быть отрицательной 9д<0. Для этого необходимо, чтобы теплота подводилась к термодинамической системе при низкой температуре (линия AD на рис. 6.4), а отводилась — при более высокой температуре (линия DB ). В этом случае [c.101]

Большинство систем не удовлетЬоряет указанным выше требованиям, вследствие чего системы с отрицательными абсолютными температурами встречаются редко. Система ядерных спинов у некоторых кристаллов удовлетворяет этим условиям. Термодинамическое равновесие в такой системе устанавливается посредством ядерного спин-спинового взаимодействия. Этот спин-спиновой процесс установления термодинамического равновесия характеризуется временем релаксации тг, которое имеет порядок 10- с. Взаимо- [c.116]

Из выражения (3.20) видно, что при равновесном переходе системы из одного состояния в другое температура Т не может изменить знака она всегда или положительна, или отрицательна. Доказать положительность или отрицательность термодинамической температуры нельзя. Ее знак определяется дополнительным условием, связанным с определением того, какая температура больше, а какая — меньше считается, что в случае равновесного сообщения телу теплоты при постоянных внешних параметрах его температура увеличивается, т. е. a = SUjdT)a>0 (см. 2). Такое дополнительное условие приводит к положительной термодинамической температуре (Г>0) (см. 28). [c.62]

Отрицательные термодинамические температуры достигаются не посредством отнятия у системы всей энергии теплового движения, а, наоборот, сообщением системе энергии больше той, которая соответствует бесконечной температуре. У большинства тел это сделать невозможно, так как у них при бесконечно высокой температуре внутренняя энергия бесконечна. Такие системы не могут находиться в состояниях с отрицательной температурой, если для них уже выбрана положительная температура. Однако у некоторых систем внутренняя энергия с ростом температуры Г- оо асимптотически приближается к конечному граничному значению, а это позволяет получить состояния систем с отрицательной температурой, когда ей сообщается энергия, большая данного граничного значения. В таких состояниях система, обладая энергией, большей энергии при бесконечной температуре, имеет ультрабесконечную температуру. Но в математике нет ультрабесконечности на числовой прямой, а есть только бесконечно удаленная точка, и если мы эту точку перейдем, то будем приближаться к О К с отрицательной стороны (рис. 22) направо от нуля по числовой оси, покидая +оо, [c.137]

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 At, сравнимого с Х2, поворачивает макроскопический магнитный момент на 180°. Таким образом, процесс перехода системы от 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 Тз- Очевидно, что для необычных систем возможны случаи, когда состояния, достижимые из данного состояния нестатически, недостижимы из него квазистатически. [c.141]

Так как время Г], связанное с релаксацией среднего намагничения М, к значению Мо, является характеристикой взаимодействия газа ядерных моментов с термостатом (с тепловым движением, например, кристаллической решетки), то значительное отличие Т] от Тг (Т превышает Тг на несколько порядков) указывает на возможность установления в короткий по сравнению с Т срок равновесия в системе ядерных спинов отдельно (т. е. без установления их равновесия с решеткой). Получаются как бы две пространственно совмешенные, но изолированные в термодинамическом смысле друг от друга квазиравновесные системы, характеризуемые разными температурами, и т.д. На возможность введения спиновой температуры, отличной от температуры решетки, указал в 1948 г. упомянутый нами выше Э. Парселл, он же в 1951 г. методом накачки энергии в спиновую систему достиг состояний с отрицательной спиновой температурой. > [c.389]

Понятие работы в механике теено связано с понятием энергии если система совершает работу, то ее энергия уменьшается (при совершении работы внешним источником над системой энергия поеледней увеличится). Выше отмечалось, что производство работы связано с изменением положения внешних тел, например, поршня, ограничивающего объем газа. В отличие от механической системы термодинамическая система способна изменять евою энергию и в том случае, если координаты внешних тел не изменяются и работа, следовательно, не производится. Такое изменение энергии происходит при термическом контакте (взаимодействие без производства работы) системы с телом, температура которого отличается от температуры системы. В этом случае энергия поступает в систему или отводится из нее в форме теплоты. Теплоту процесса считают положительной, если она подводится к термодинамической системе, и отрицательной, если она отводится. Для теплоты, отнееенной к 1 кг вещества, принято обозначение у, ее единица Дж/кг. [c.15]

Однако одновременное введение положительных и отрицательных температур может быть сделано лишь при существенном расширении классической термодинамики. Так. Паунд и Парселл в 1951 г. показали, что ядерные спины в кристалле могут быть приведены в такое метастабильное состояние, которое наиболее естественно описывается как состояние термодинамического равновесия спиновой системы при отрицательной температуре. Рамзей (1956) показал, каким образом следует изменить положения термодинамики, чтобы учесть такие случаи. Но поскольку они наблюдаются довольно редко, мы исключим их в дальнейшем из рассмотрения и не будем менять формулировку основных принципов теории. Обсуждение состояний с отрицательной температурой проводится в приложении Г. [c.42]

В настоящей главе представление об отрицательных температурах вводится посредством статистической модели спиновой системы. Обсуждаются термодинамические особенности и рассматривается возможность использования систем с отрицательными температурами и систем с нетепловой заселенностью уровней в качестве усилителей излучения. В качестве общей работы, в которой освещаются вопросы, затронутые в настоящей главе, особенно в первых нескольких задачах, можно рекомендовать классическую работу Рамсея [1]. [c.388]

После Карно обоснованием второго начала термодинамики занимались Тсмсон и Клаузиус. Томсон сформулировал второе начало термодинамики в виде утверждения о невозможности осуществления теплового двигателя с одним единственным источником теплоты, т. е. такой машины, которая путем охлаждения моря или земли производила бы механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты моря и суши и в конце концов всего материального мира. Ему же принадлежит открытие термодинамической шкалы температур. Клаузиус исходил из идей Карно и придал выводам последнего большую общность и строгость с учетом эквивалентности тепла и работы, т. е. окончательно освободил термодинамику от гипотезы о теплороде. Исторической заслугой Клаузиуса является формулировка второго начала термодинамики в виде следующего утверждения теплота сама собой не может переходить от тела холодного телу горячему. Позже он дал более расширенную формулировку второе начало гласит, что все совершающиеся в природе превращения в определенном направлении, которое принято в качестве положительного, могут происходить сами собой, т. е. без ксмпенсации, но в обратном, т. е. отрицательном, направлении они могут происходить только при условии, если одновременно происходят компенсирующие процессы. Далее Клаузиус вывел на основе этого принципа особую функцию состояния — энтропию. С помощью этого нового понятия Клаузиус придал второму началу термодинамики форму закона возрастания энтропии изолированной системы. Этот закон, по мнению Клаузиуса, должен был иметь силу для всей Вселенной, что оказалось неправомерной, а потому и неверной для всей Вселенной экстраполяцией второго начала термодинамики. [c.154]

Система, реализующая тепловой двигатель (рис. 3.1), включает три элемента горячий источник (теплоотдат-чик) с температурой Гь отдающий теплоту (/ь рабочее тело РТ (обычно газ), воспринимающее энергию в форме теплоты и отдающее ее во внешнюю среду в форме работы холодный источник (теплоприемник) с температурой Гг, воспринимающий часть теплоты 2, которая не была преобразована в работу. Преобразование теплоты в работу осуществляется рабочим телом в круговом термодинамическом процессе изменения его состояния (цикле). Совершаемая рабочим телом работа расширения (положительная) должна быть больше работы сжатия (отрицательной), их разность представляет собой работу цикла 1ц, таким образом, цикл теплового двигателя осуществляется по часовой стрелке. [c.40]

Оказывается, что большинство эвтектических систем проявляет малые отрицательные отклонения от линейной зависимости и многие из этих систем могут иметь резкий минимум в изотерме вязкости при эвтектическом составе. Когда температура повышается, отклонения от линейности уменьш аются, а аномальная зависимость от состава исчезает. Имеется недостаточно убедительное указание на то, что минимумы вязкости вблизи эвтектической точки можно наблюдать только при температурах, близких к температуре эвтектики, и что отклонения от линейной зависимости могут быть больше в системах, содержащих элементы из более высоких групп Периодической системы элементов. Сообщалось, что в некоторых системах максимумы вязкости получались при составах, соответствующих предельной растворимости в твердом состоянии. О максимуме эвтектической вязкости сообщалось для одной системы [228]. Во всех исследованных случаях показывает ту же зависимость от состава, что и т]. В целом ряде систем для систематического изучения соотношений между Т1 или и фактором размера или термодинамическими параметрами должны быть сделаны более точные измерения. Однако похоже, что отрицательные отклонения от линейного соотношения связаны с положительными энтальпиями смешения, как было предсказано Вандором [213]. [c.88]

С математической точки зрения наиболее простая схема описания самоорганизующейся системы представляется известной схемой Лоренца [7]. Она представляет три дифференциальных уравнения, выражающие скорости Г], к, S изменения величин rj, h, 5 через их значения. Характерная особенность этих выражений состоит в том, что все они содержат диссипативные слагаемые, величины которых обратно пропорциональны соответствующим временам релаксации r,j,Ti Ts. Обычно при исследовании термодинамики фазового перехода принимается адиабатическое приближение г/,, < г,,, означающее, что в ходе своей эволюции сопряженное поле h t) и управляющий параметр 5(i) изменяются настолько быстро, что успевают следовать за медленным изменением параметра порядка ri(t) [1]. При этом эволюция системы описывается уравнением Ландау—Халатникова, в котором роль свободной энергии играет синергетический потенциал. В результате синергетический подход сводится к феноменологической схеме фазового перехода. Отличие состоит в том, что в синергетических системах процесс самоорганизации происходит в области больших значений управляющего параметра 5, а в термодинамических — в низкотемпературной. Таким образом, величина S не сводится к температуре. Кроме того, если для термодинамических систем температура среды совпадает с ее значением для термостата, то для синергетических отрицательная обратная связь между параметром [c.19]

Для решения задачи рассмотрим временнью Зависимости скорости фронта кристаллизации u(t), удельной теплоты превращения f t) и эффективной температуры T t), определяемой как разность температур Tq T на фронте кристаллизации и в термостате. В рамках синергетического подхода, изложенного в 1 главы 1, уравнения эволюции содержат диссипативные вклады и слагаемые, представляющие положительную обратную связь скорости и и термодинамического фактора / с эффективной температурой Т, с одной стороны, и отрицательную обратную связь и и Г с / — с другой. В результате поведение системы представляется уравнениями Лоренца (1.1)-(1.3), где параметр порядка г) сводится к скорости и, сопряженное поле h к эффективной температуре Г, а управляющий параметр 5 к теплоте превращения /. [c.210]

Система висмут—галлий изучалась в интервале температур 680—868° К- Термодинамические свойства рассчитывались для температур 680 и 870° К. Активности металлов указывают на положительные отклонения от закона Рауля для галлия и отрицательные для висмута (рис. 3,6). С повышением температуры активность галлия приблил ается к прямой закона Рауля, а активность висмута для областей сплавов, богатых галлием, несколько отклоняется в отрицательную сторону. [c.383]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...