Hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối

- 1.Nhiệt độ là gì?.
- Nhiệt độ được hiểu như là một đại lượng đặc trưng cho trạng thái của một vật, nói cách khác, nhiệt độ đặc trưng cho "độ nóng" của vật.
- Khi đo "độ nóng " của vật bằng cách sử dụng các phương pháp đo khác nhau và dùng các vật khác nhau làm nhiệt biểu, bằng thực nghiệm người ta đã thấy có tồn tại nhiệt độ không tuyệt đối (gọi tắt là độ không tuyệt đối), đó là nhiệt độ mà tại đó vật không thể lạnh thêm được nữa, từ đó người ta xây dựng một nhiệt giai (thang nhiệt độ) gọi là nhiệt giai tuyệt đối (0 K), theo công thức:.
- với t là nhiệt độ trong nhiệt giai bách phân..
- Dựa trên động lực học (định lí Cácnô) người ta đã lại xây dựng được một nhiệt giai và đơn vị đo nhiệt độ trên cơ sở một lí thuyết chặt chẽ không phụ thuộc vào thực nghiệm và áp dụng cho bất kì khoảng nhiệt độ nào, nhiệt độ và nhiệt giai này được gọi là nhiệt độ và nhiệt giai động lực.
- Ở đây phép đo nhiệt độ được chuyển thành phép đo nhiệt lượng, người ta chứng tỏ được rằng, nhiệt giai tuyệt đối, ban đầu xét từ thực nghiệm chính là một nhiệt giai động lực học..
- Những vấn đề cơ bản của nhiệt độ là:.
- Ta không thể đạt đến nhiệt độ không tuyệt đối bằng cách lấy đi toàn bộ năng lượng của chuyển động nhiệt của hệ..
- Nhiệt độ là một thông số "vĩ mô" của một vật xét về toàn bộ.
- Thực vậy nhiệt độ tuyệt đối đặc trưng cho động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử, nhưng khái niệm trung bình thuộc về tập hợp các hạt, có nghĩa là thuộc về toàn thể vật..
- Nhiệt độ là một đại lượng không cộng được.
- Sự giảm áp suất của chất khí khi làm lạnh phù hợp với thực nghiệm về sự phụ thuộc của cường độ chuyển động Brown và nhiệt độ tuyệt đối của chất khí.
- Nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Nhờ có khái niệm nhiệt độ chúng ta có thể mô tả chuyển động hỗn độn của các nguyên tử, chuyển động của các electron tự do trong kim loại và cả những "chuyện kì lạ" như chuyển động hỗn độn của các prôton và nơtron cấu tạo nên các hạt nhân nguyên tử phức tạp..
- Chúng ta có thể dựa vào khái niệm nhiệt độ để mô tả tính cách của các spin electron trong vật rắn, gọi tắt là hệ spin..
- Nó cho phép ta cụ thể hóa hơn các điều trình bày ở trên về nhiệt độ và giúp ta bổ sung những chi tiết cho các lập luận tổng quát mà chúng ta đã nêu ra từ trước đến nay..
- Việc vận dụng các hệ spin còn cho chúng ta một phương pháp gần như duy nhất để tạo được các nhiệt độ rất thấp, thấp hơn 0,10K.
- Trạng thái của hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Khả năng tồn tại của các trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Xuất phát từ nguyên lí thứ hai nhiệt động lực học chúng ta xác lập tỉ số của các nhiệt độ tuyệt đối T1 và T2 ứng với hai trạng thái của một hệ nào đó được biểu diễn bằng hàm mũ:.
- Từ biểu thức trên người ta kết luận được tính không đổi dấu của nhiệt độ tuyệt đối T khi ta bổ sung thêm một điều là các trạng thái đạt được từ một trạng thái đã cho một cách không tĩnh bao giờ cũng đạt được từ trạng thái này một cách chuẩn tĩnh.
- Từ đó ta thấy được khả năng tồn tại của các nhiệt độ âm tuyệt đối cùng với các nhiệt độ dương tuyệt đối.
- Thực vậy sự không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt chỉ dẫn đến sự không thể chuyển qua nhiệt độ đó từ nhiệt độ dương tuyệt đối sang nhiệt độ âm tuyệt đối, chứ nó không loại trừ khả năng tồn tại của các nhiệt độ âm tuyệt đối cùng với các nhiệt độ dương tuyệt đối..
- Các trạng thái với các nhiệt độ âm tuyệt đối không những chỉ là khả dĩ mà còn tồn tại trong thực tế.
- Năm 1951, từ nhiều thí nghiệm về cộng hưởng từ hạt nhân, người ta đã tạo ra các trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối..
- Các nhiệt độ âm tuyệt đối đạt được không phải bằng cách lấy đi ở hệ tất cả năng lượng chuyển động nhiệt mà trái lại bằng cách truyền cho hệ năng lượng lớn hơn năng lượng tương ứng với nhiệt độ vô hạn.
- Điều đó sẽ không thể được đối với đa số các vật vì đối với chúng thì ở nhiệt độ lớn vô hạn khi đó thì nội năng sẽ vô hạn.
- Nếu như người ta đã chọn nhiệt độ dương tuyệt đối thì các hệ như thế không thể ở trong các trạng thái với nhiệt độ âm tuyệt đối..
- Điều kiện để hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Mẫu đơn giản sau đây chứng tỏ thực tế có thể thực hiện được nhiệt độ tuyệt đối âm..
- Ở nhiệt độ thấp các nam châm phân tử định hướng trong từ trường.
- Khi tăng nhiệt độ tức là truyền năng lượng cho hệ các nam châm thì càng có nhiều nam châm hợp với hướng của từ trường góc lớn, nghĩa là các nam châm sẽ định hướng hỗn loạn hơn..
- Trạng thái đó của hệ ứng với nhiệt độ, trong trạng thái đó hạt (nam châm) phân bố đồng đều theo các mức năng lượng tức là đồng dều theo các góc..
- Ở trạng thái này nội năng của hệ lớn hơn nội năng ứng với nhiệt độ , ta quy ước rằng nhiệt độ của hệ ở trạng thái này là nhiệt độ âm..
- Như vậy điều kiện để cho một hệ có thể ở trạng thái có nhiệt độ tuyệt đối âm là: năng lượng của hệ NĐLH phải có giá trị hữu hạn khi và số mứn năng lượng là hữu hạn..
- Một vài tính chất của hệ có nhiệt độ tuyệt đối âm.
- Hệ đặc biệt ở nhiệt độ tuyệt đối ậm có một số tính chất khác với hệ bình thường ở nhiệt độ tuyệt đối dương.
- a) Những khái niệm “công”, “nhiệt”, “vật nóng hơn” vẫn giữ nguyên ý nghĩa như khi xét các trạng thái có nhiệt độ dương..
- b) Đối với hệ cân bằng ở nhiệt độ tuyệt đối am vẫn tồn tại entropy với tính cách là một hàm trạng thái:.
- Đối với các hệ đặc biệt, ở trạng thái có nhiệt độ tuyệt đối âm thì: và.
- Vì nhiệt dễ dàng chuyển thành công trong các hệ có nhiệt độ tuyết đối âm nên phần lớn các lực cản trọng các hệ này là âm, hệ có tính chất khuếch đại: sóng điện từ đi qua hệ có nhiệt độ tuyệt đối âm không bị hấp thụ mà lại mạnh hơn (nguyên tắc của Laser).
- Một số tính chất của hệ trong các trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Khi truyền cho hệ nhiệt lượng Q  0, entrôpi của hệ không tăng như trong trường hợp các nhiệt độ dương tuyệt đối, mà giảm đi- hệ chuyển sang một trạng thái trật tự hơn..
- Dựa vào phương trình cơ bản của nhiệt động lực học TdS  dU  W có thể xác định được là nhiệt sẽ truyền theo chiều nào khi cho hai vật có nhiệt độ khác nhau tiếp xúc với nhau..
- Giả sử chúng ta có hai vật với các nhiệt độ âm tuyệt đối T1 và T2..
- Khi đó vì quá trình truyền nhiệt ở một hiệu nhiệt độ xác định là bất thuận nghịch..
- T2, nghĩa là theo thang nhiệt độ ở trên, nhiệt tự phát truyền từ vật nóng sang vật lạnh.
- Cũng dễ dàng thấy rằng, khi cho những hệ có các nhiệt độ tuyệt đối khác dấu tiếp xúc nhiệt với nhau, nhiệt sẽ truyền từ các vật có nhiệt độ âm tuyệt đối sang vật có nhiệt độ dương tuyệt đối, nghĩa là lại truyền từ vật nóng sang vật lạnh..
- Ở các nhiệt độ âm tuyệt đối có thể tiến hành những chu trình khác nhau, tương tự như chu trình từ của Cascnô..
- Hiệu suất của chu trình Cácnô, tác dụng giữa các nhiệt độ âm cũng như trong miền của các nhiệt độ dương, nhỏ hơn đơn vị.
- Điều đó có nghĩa là ở các nhiệt độ dương tuyệt đối, các động cơ nhiệt hấp thụ nhiệt nhiều hơn sinh công..
- Chu trình Cácnô (thuận nghịch) giữa các nhiệt độ có dấu khác nhau không thể thực hiện được.
- Vấn đề là ở chỗ, nhờ sự từ hóa đoạn nhiệt của các hệ spin, người ta có thể nâng được nhiệt độ trong thang các nhiệt độ dương lên cao một cách tùy ý, nhưng không buộc được nhiệt độ chuyển sang các giá trị âm.
- điều khẳng định tương tự là đúng, nếu trạng thái ban đầu có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Việc chuyển hệ từ các nhiệt độ dương tuyệt đối sang các nhiệt độ âm tuyệt đối chỉ có thể thực hiện nhờ ở quá trình không tĩnh..
- Sự khử từ đoạn nhiệt hệ spin ở các nhiệt độ âm tuyệt đối nung nóng hệ, chứ không làm lạnh như ở các nhiệt độ dương..
- Tính dễ biến nhiệt thành công dẫn đến những ứng dụng thực tế quan trọng của các hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối..
- Ở các nhiệt độ âm tuyệt đối, phần lớn các sức cản đều âm, do đó tại những nhiệt độ như thế các hệ đều là các máy khuếch đại: sóng điện từ sau khi đi qua hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối không bị hấp thụ mà được khuếch đại.
- Các phương pháp thu nhiệt độ âm.
- Một trong những phương pháp đầu tiên thu được các nhiệt độ âm là phương pháp phân loại các phân tử amôniac trong máy phát phân tử do Baxôv và Prôkhôrôv tạo ra..
- Các nhiệt độ âm có thể thu được dựa vào sự phóng điện qua chất khí.
- Tùy thuộc vào các hệ thức của thời gian sống cho các mức đối với một số các chất khí, mà từ đó ta có thể thu được những nhiệt độ âm..
- Để tạo ra các nhiệt độ âm, ngoài những va chạm không đàn hồi, người ta dùng sự bơm quang học, va chạm electron, năng lượng phân ly..
- Nhiệt độ âm có thể thu được trong các chất bán dẫn.
- Nếu hệ chịu tác dụng của tần số 13 , thì giữa các mức 1-3 hay 2-3 có thể xuất hiện các trạng thái với nhiệt độ âm..
- Ứng dụng của hệ có nhiệt độ âm tuyệt đối.
- Hệ nằm trong trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối có khả năng khuếch đại bức xạ điện từ (ánh sáng) đi qua nó.
- Vì hệ nằm ở trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối số hạt trên mức cao nhiều hơn số hạt ở mức thấp cho nên khi có bức xạ là phôtôn kích thích đi vào hệ thì số hạt trên mức cao chuyển xuống mức thấp hơn và bức xạ phát ra phôtôn, và kết quả là số phôtôn phát ra nhiều hơn số phôtôn bị hấp thụ.
- Hiện nay người ta đã thực hiện nhiều phương pháp khác nhau để thu được trạng thái có nhiệt độ âm tuyệt đối trong chất khí, chất rắn, chất lỏng