1、本科毕业论文（20 届）负绝对温度的理论与实验研究所在学院 专业班级 应用物理 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 负绝对温度的理论与实验研究摘要在地球上的寒冷地区,负温度华氏温度和摄氏温标往往发生在冬天, 然而在物理上,到目前为止负绝对温度是不可能出现的。绝对温标,物理学家也把它叫做开氏温标,一个不能低于零温标至少在比零开尔文温度高的时候随着温度的降低我们会感觉越来越冷。根据温度在物理上的意义,气体的温度是由混沌运动的粒子决定的气体温度越低,粒子越慢。在零开尔文(-460F 或-460C)颗粒停止移动,所有的障碍就消失了。因此,没有什么可以比绝对零度冷开氏温标。慕尼黑大学的物理
2、学家和德国的马克斯普朗克量子光学研究发现在已经创建了一个原子气体实验室,产生了负的开尔文(科学,2013/01/04)值。这些负绝对温度有几个明显不符实际的结论:尽管气体中的原子相互吸引,产生负压,气体不会崩溃这一行为也假设了宇宙学中的暗能量，也被认为不可能的热引擎的帮助下可以实现负绝对温度,发动机的热力学效率在 100%以上。关键词： 负绝对温度、粒子数反转、熵、内能The negative absolute temperature stateABSTRACTIn cold regions on earth, negative temperatures on the Fahrenheit o
3、r Celsius scale can often occur in winter; in physics, however, they were so far impossible. On the absolute temperature scale that is used by physicists and also called Kelvin scale, one cannot go below zero at least not in the sense of getting colder than zero Kelvin. According to the physical mea
4、ning of temperature, the temperature of a gas is determined by the chaotic movement of its particles the colder the gas, the slower the particles. At zero Kelvin (-460F or -273C) the particles stop moving and all disorder disappears. Thus, nothing can be colder than absolute zero on the Kelvin scale
5、. Physicists of the Ludwig-Maximilians University Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching have now created an atomic gas in the lab that has nonetheless negative Kelvin values (Science, 2013/01/04). These negative absolute temperatures lead to several striking consequences:
6、 Although the atoms in the gas attract each other and give rise to a negative pressure, the gas does not collapse a behavior that is also postulated for dark energy in cosmology. Also supposedly impossible heat engines can be realized with the help of negative absolute temperatures, such as an engin
7、e with a thermodynamic efficiency above 100%.“Keywords”：Negative absolute temperature Inversion energy Entropy第一章.绪论1.1 负绝对温度背景介绍绝对温标,也被物理学家称为开氏温标,它不可能走到零以下去。根据温度的物理意义,气体的温度是由粒子空间的运动速度决定气体温度越低,粒子越慢。当温度达到绝对零度时，空间中的粒子就停止不动了。因此,没有什么可以比绝对零度低的开氏温标。物理学家在实验室现在已经创建了一个原子气体,拥有负的开尔文值。这些负绝对温度有几个明显不符实际的结论:尽管气体中的
8、原子相互吸引,产生负压,气体不会崩溃这一行为也假设了宇宙学中的暗能量。如果有人问我们 自然界最冷的地方在哪儿，我们最先想到的应该会是冬季的南极，然而据研究当前已知的最冷的地方是在布莫让星云。绝对零度是零下 273.15 摄氏度，难以想象，世界上能有这么一个地方常年温度只比它高了一度而已，如果仅依靠人类现有的技术要想达到这个温度需要付出不可估计的代价。一个需要付出如此巨大代价才能达到的温度，是如何在大自然中出现的呢?如此巨大的能量也只在宇宙大爆炸的时候才能提供吧。这也就是说，大爆炸理论一直存在着争议，而这个发现显然成了它的最显著有效最强而有力的证据之一。在宇宙提供如此巨大的能量下，布莫让星云是如
9、何让温度急速下降的。我们知道气压越低水的沸点越低，宇宙在大爆炸之前应该是一个密度极大的质点，大爆炸发生时，内部的物质以气体和尘埃的形式急速向外迸发，就像冰箱的制冷剂一样内部能量不断向外传输自身温度越来越低，最后甚至达到了不可思议的零下 272 摄氏度1.2 热平衡之间的差异稳态和非平衡两者的能量传递以及占用概率。稳态是信息处理，交通管理，电力传输，热交换器与国际政治，最佳的解决方案。接下来，本文综述了零，第一，第二和热力学第三定律。孤立子系统确实提出一个问题第一定律是否仍然有效,如果一个能够构造一个热机,它使用这些州下沉。这些过程可能在未来被发现，这使这种引擎的操作成为可能。为了避免逻辑不一致
10、，热力学第四定率被提出，即任何能量转换的网络(或远离平衡态的耗散结构)是由一个与其环境耦合的瞬时系统组成的,这个系统的势能耗散率不仅受到系统内部的制约,而且受到外部环境的限制1.21、热力学介绍热力学是研究热现象中物质系统在平衡时的性质和建立能量的平衡关系，以及状态发生变化时系统与外界相互作用(包括能量传递和转换)的学科。工程热力学是热力学最先发展的一个分支，它主要研究热能与机械能和其他能量之间相互转换的规律及其应用，是机械工程的重要基础学科之一。有一个坚实的数学公式,热力学(结合统计力学)是物理学的核心领域之一,工程科学的基础,在技术创新中起着关键作用。此外,化学科学技术、生物科学与技术、地
11、质科学、技术、经济和金融科学、政治学与国际关系受益于某种形式的热力学定律。本文综述了热力学定律和引入第四个定律研究的可能性2、平衡，稳态和非均衡2.1 能量传送的考虑能量转移、平衡可以被理解为一个情况:没有能源,数据或信息的净转移。稳态情况采用转移能量,、数据、和信息，以均匀的速度。稳定状态的最优解信息处理、交通管理、电力传输、热交换器、国际政治。非平衡情况,能量转移,数据或信息进行速度变量。 2.2 职业可能性的考虑职业的可能性而言,平衡意味着相同概率的职业在不同的州,这不是随着时间的推移,不同稳定状态意味着不同概率的职业在不同的州,但不随时间变化,而非平衡对应概率职业在不同的国家不同的时间
12、。2.3 的例子门外汉可以认为平衡宵禁,没有交通道路。高速公路交通将稳定状态的一个很好的例子。道路交通繁忙的市场可能被视为服务非平衡的情况。在热力学中,如果两具物体是在相同的温度下,彼此应当没有净转移热量,虽然被他们两人的热量可能有所不同。这就是所谓的热力学平衡。在量热法,平衡是通过搅拌混合,以实现确定物质的比热。在希尔的方法确定的热导率金属杆,杆的一端通过蒸汽加热管缠绕它。后冷凝蒸汽循环,通过将橡皮管浸到冷水。两个温度计插入,一个蒸汽热量转移到导电杆,和其他测量温度的蒸汽出来后将热量转移到杆子。同样,水是流传通过管导电杆的另一端,这样热量被水带走。两个温度计,测量温度的水。其中一个记录温度的
13、水来自自来水,水,带走热量的杆。最初,温度在所有温度计(非平衡)而变化。然而,如果流调整得当,温度不变,虽然每个温度计上显示不同的值。当这一切发生的时候,稳定状态达成。注意,如果所有的温度变得平等,没有热量转移成为可能,这将是一个平衡的情况。在电动力学中,如果两个物体内部,没有从一个到另一个净电荷转移,尽管电荷的数量在每一个可能不相等。平衡状态意味着开路(没有电流流)。在电镀和实验机械通过电法的热功当量实验中稳定状态是必须的。虹吸是描述平衡的概念，一个很好的例子，在稳态和非平衡引力场背景。如果液柱两手臂高度一致，没有流量（等于引力势） 。这是平衡的一个例子。双臂也未必有相同的直径；因此，液体量
14、可能在每个臂的变化。如果一个人的手臂高（和照顾通过在柱中加入适量的液体保持高度的差异，这是更高的） ，会有一个统一的流量从高到低的手臂，手臂稳定状态的例子。如果不同的高度保持不变（常流） ，情况将是非平衡。3.1 第零定律Fowler 和普朗克 1930 年第零定律,是对第一,第二和第三定律广泛的理解。这是定律命名为第零定律的原因，本定律是其他定律基础。它允许一个圆的其共轭变量来定义温度没有指的熵,。一个系统是与另一个系统热平衡在热接触与其他系统(透热辐射的连接热是可以交换吗在两个系统间)及其热力学参数不改变3。第零定律可以表示为:如果系统和系统 B 与C 系统热平衡,那么系统是热平衡本法系统
15、 B 似乎使用传递属性的数字如果平等取而代之的是热平衡1、第一定律梅耶焦耳和亥姆霍兹在热力学第一定律的发展。热力学第一定律是由作者 1 物理第一范式。本法没有比能量守恒定律的一份声明中更多,认识到热是能量的一种形式。下面是第一定律的一些内容:总能量,无论过程在一个孤立的系统,是相同的。b)热力学系统提供的能量是利用外部工作和增加内部的能量系统1。2、热力学第二定律热力学第二定律是归因于卡诺和克劳修斯。第二定律定义了熵,这可能被理解为衡量缺陷的信息。它指出一个孤立的宏观系统的熵不变或增加。以基特尔的话说,“如果一个封闭的系统配置不均衡配置,最可能的结果将是,系统的熵会增加单调连续瞬间的时间。 ”
16、33、第三定律德国化学家,欧内斯特被认为是热力学第三定律配方设计师。热力学第三定律意味着系统冷却到绝对零度是不可能的。否则,它将有可能操作卡诺热机散热器在绝对零度。这将违反热力学第二定律。最早的声明的是,在绝对零度熵之间的差异变得不存在所有这些系统的配置,在内部互相热平衡4。3.5 负温度热力学第三定律并不排除负绝对温度的存在状态。然而,它不能达成跨越 0 k 的概念是具有物理意义的系统,满足以下限制(5 - 7):a）必须有一个有限的频谱能量上限。否则,在负温度系统将有无限的能量。因此,自由移动的粒子或谐振子不能有负的温度,对他们的精力没有上限。只有某些自由度的粒子可以在负温度,e . g。
17、,核自旋取向磁场。b)系统必须内部热平衡。必须入住率符合玻耳兹曼因子选择适当的负温度状态。c)在负温度状态必须隔离正温度的状态的物体。负温度对应的能量高于正温度。换句话说,负温度温度比正温度。因此,当系统在负温度接触正温度系统,能源将从积极的负温度的温度。核能和电子自旋系统可以通过合适的射频技术实现负温度。细胞核子系统的固体和孤立于其他固体完美的真空,这之间存在一个原子的原子核和电子。在真正的子系统,负绝对温度从系统获得不是通过删除所有热运动的能量(即。,通过 0 K),但通过添加子系统比一个更大的能量,这对应于无限的绝对温度。注意,这种行为是在三角函数展出。/ 2 弧度)。切的图与角从正面无
18、穷大负无穷大 900第二章 自然界中绝对温度的实质根据热力学第三定律，众所周知，我们不可能使一个物体冷却到绝对温度的零度，也就是所，没有什么物体的温度可以比绝对零度更冷。然而，德国的慕尼黑路德维希-马克西米利安大学和马克普朗克研究所的物理学家们已经在实验室里创造了一种具有负的开尔文温度值的原子气体。这显然是与现有的物理学定律和人们的常识严重违背的！但是，这却是已经发生并经过许多其他物理学家重复验证过的客观事实！在本论文中，我们将深入探究。绝对温度通常会是积极的。然而,在特殊条件下,负温度高能状态占领超过低能状态这也有可能。这样的状态一直在定域系统中有一些表现-离散谱。在这里，我们准备了一个负温
19、度的动态自由度。通过剪裁的玻色哈伯德哈密顿，我们创造了一个相互吸引在负温度是对稳定的超冷玻色子合奏崩溃任意原子数。的准动量分布形成尖锐的峰上带边，揭示热平衡和玻色子的连贯性数格点。负温度意味着负压力和开辟新的参数制度冷原子，使全新的多体状态。2.1 负绝对温度的讨论与研究为了使水沸腾,需要添加能源。水加热,水分子增加动能随时间和平均移动速度越来越快。负温度热:在负绝对温度(红色球)的能量分布是反向的分布在正温度(蓝色球)。因此发现,与通常的情况下,许多与高能粒子和只有少数低能量。这对应于一个温度,温度比所有积极的温度甚至是无限的温度、颗粒均匀分布于所有的能量。在实验中,负绝对温度才能达到一个上
20、界为每个粒子的总能量存在,类似于熟悉的下界为粒子的动能,站着不动。正是这样一个上界为每个粒子的总能量已被创建在一个实验物理学家LMU和MPQ在慕尼黑。然而,单个分子具有不同的动能有的速度很快而有的速度很慢。当低能耗状态比高能状态多时,即只有少数粒子移动的速度非常快。在物理学,这称为玻耳兹曼分布。物理学家乌尔里希施耐德和以马内利布洛赫已经意识到的气体分布正好相反:许多粒子具有高能量和只有少数较低的能量。这能量分布的反演意味着粒子有负绝对温度。 “反常玻耳兹曼分布是负绝对温度的特点,这是我们的发现,”乌尔里希施耐德说。 “然而,这种情况下气体不是温度低于零度,反而气体更热”物理学家解释说:“这是比
21、在任何正温度更热温标根本不结束在无穷远处,而是跳到负值，负温度只能通过能源的上限达到。2.2 负绝对温度物理模型及解析以一个弹珠的游戏显示温度:玻耳兹曼分布可以用球分布在丘陵景观,它提供了一个较低的和潜在的能量球的上界。在积极的温度(左图),因为他们在日常生活中非常普遍,大多数球躺在最小势能周围的山谷。他们几乎不移动,因此也拥有最小动能。小总能量更有可能比那些大的总能量多,通常的波尔兹曼分布。在无限的温度(核心人物)球均匀低和高的能量在一个相同的风景。在这里,所有的能量状态也同样可能。在负温度下(图),然而,大多数球漫步在山顶上,上限的势能。他们的动能也最大。能量状态与大总能量占据超过那些小总
22、能量-玻耳兹曼分布是倒置的。在他们设计了一个有原子气体的能量上限的实验,。在他们的实验中,科学家们首先在拥有约十万原子在一个真空室，以正温度为几十亿开尔文的激光束设置捕捉他们的光学陷阱。周围的超高真空保证原子被完全孤立于环境。原子被困在完美有序的数以百万计的亮光点激光创建的所谓的光学晶格中。通过的激光束之间的干扰。在这个格子内,原子仍然可以通过隧道从站点到站点,但是他们最上面动能是有限的,因此具有所需的能量限制较高。然而温度不仅涉及动能,而且涉及粒子的总能量,在这种情况下包括原子交互和势能。慕尼黑和德国研究人员还设置一个系统限制这交互和势能。突然把一个山谷变成了山峰,从而实现在零下几十亿分之一
23、开尔文的负温度。“如果球拥有正的温度并且躺在一个山谷有最小势能,这种状态显然会稳定这是我们所知道的性质。如果球位于山顶在最大势能,他们通常会滚下,从而将他们的势能转化为动能。然而,如果球在负温度,其动能将已经如此巨大,以至于它无法进一步增加。因此,球不能滚下,呆在山顶上。边界的能量因此呈现系统稳定!”西蒙布劳恩解释说，负温度状态在他们的实验中确实是和正温度状态一样的稳定。 “这样,我们已经创建了第一个负绝对温度状态的移动粒子,”他补充说。在负温度下发动机的效率可以更高，负绝对温度导致一大堆令人震惊的结果:有了它的帮助,人们可以创建热引擎的效率在 100%以上。而且这并不意味着违反了能量守恒定律的。相反,这台机器不仅可以从热物质吸收能量,并且通常的情况下,也从寒冷的物质吸收能量执行的工作，因此引擎可以大于能源的热物质。关于其热力学行为,负温度状态表现出与所谓的暗能量。宇宙学家假设暗能量是难以捉摸的力量,加速膨胀的宇宙中,虽然宇宙应该事实上的合同,因为所有群众之间的万有引力。有一个类似的现象在慕尼黑的实验室的原子云:实验依赖这样一个事实 :气体中的原子并不相互排斥在通常的气体,而是相互吸引力。这意味着原子施加负面而不是积极的压力。因此,原子云想要合同,应预计通常崩溃就像宇宙重力的影响下。但由于其负温度这不会发生。气体被免于崩溃就像宇宙一样。
