دمای منفی ( به انگلیسی: Negative temperature ) حالتی است که دمای ترمودینامیکی در یک سیستم به زیر صفر مطلق می رسد یا به عبارت دیگر اندازه دما در مقیاس کلوین زیر صفر بشود.
همه سیستم ها دارای خصوصیت افزایش یکنواخت انتروپی با انرژی نیستند. در برخی موارد، هنگامیکه انرژی سیستم افزایش می یابد تعداد ریزحالت ها یا پیکربندی ها برای بازه مشخصی از انرژی ها کاهش می یابد.
یک سیستم ایده آل اسپینی دارای N اتم با اسپین ۱/۲ را روی یک سیم یک بعدی در نظر می گیریم. اتم ها برای حرکت از موقعیت شان روی سیم آزاد نیستند. تنها درجه آزادی آنها تغییر اسپین ( Spin - flip ) است. انرژی کل سیستم در یک میدان مغناطیسی قوی ( B ) برابر است با:
ET=uB ( N+ - N - )
که در آن u ممان مغناطیسی هر اتم و +N و - N به ترتیب تعداد اتم های اسپین بالا و تعداد اتم های اسپین پایین هستند. هنگامیکه نیمی از اتم ها، دارای اسپین مثبت و نیمهٔ دیگر دارای اسپین منفی باشند، E کل سیستم برابر صفر خواهد بود؛ همچنین هنگامیکه تعداد بیشتری رو به پایین باشند انرژی کل منفی و اگر تعداد بیشتری رو به بالا باشند انرژی کل مثبت است. حداقل انرژی زمانی اتفاق می افتد که همه اتم ها دارای اسپین رو به پایین باشند. در این حالت انرژی کل برابر uBN - است و دما، صفر مطلق خواهد بود. البته این فقط یکی از پیکربندی های سیستم است.
انتروپی برابر با لگاریتم تعداد ریزحالت هاست. در این مورد خاص log1=۰ است. حال اگر به سیستم یک بسته انرژی کوانتومی به اندازه uB بیفزاییم، یک اتم اجازه خواهد داشت که اسپین خود را رو به بالا تغییر دهد، به همین دلیل N حالت جدید به وجود می آید و در این صورت داریم که انتروپی log N است.
اگر بسته دیگری از انرژی کوانتومی به مجموعه بیفزاییم، به اندازه N ( N - ۱ ) /۲ پیکربندی جدید با دو اسپین رو به بالا خواهیم داشت. انتروپی به سرعت افزایش می یابد و دما نیز به همان صورت بیشتر می شود؛ با این حال برای این سیستم انتروپی تا ابد افزایش نمی یابد.
حداکثر انرژی این سیستم می تواند به اندازه uBN+ باشد که در آن همه اسپین ها رو به بالا هستند. در این حالت نیز فقط یک ریزحالت موجود است و بدین ترتیب انتروپی نیز صفر است. حال اگر یک بسته انرژی uB را از مجموعه کم کنیم به یک اسپین اجازه داده ایم تا رو به پایین تغییر کند. باز هم در این حالت N ریزحالت داریم، یعنی با کاهش انرژی افزایش انتروپی خواهیم داشت. به جمله اول، بازمی گردیم. در واقع بیشینه بی نظمی مربوط به انرژی کل صفر است که در آن نیمی از اتم ها رو به بالا و نیمی دیگر رو به پایین هستند. اکنون سیستمی را طراحی کردیم که هرچه انرژی را بیفزاییم دما به سمت مثبت میل می کند تاجاییکه انتروپی به حداکثر مقدار خود برسد؛ یعنی زمانیکه نیمی از اسپینها رو به بالا هستند.
این نوشته برگرفته از سایت ویکی پدیا می باشد، اگر نادرست یا توهین آمیز است، لطفا گزارش دهید: گزارش تخلفهمه سیستم ها دارای خصوصیت افزایش یکنواخت انتروپی با انرژی نیستند. در برخی موارد، هنگامیکه انرژی سیستم افزایش می یابد تعداد ریزحالت ها یا پیکربندی ها برای بازه مشخصی از انرژی ها کاهش می یابد.
یک سیستم ایده آل اسپینی دارای N اتم با اسپین ۱/۲ را روی یک سیم یک بعدی در نظر می گیریم. اتم ها برای حرکت از موقعیت شان روی سیم آزاد نیستند. تنها درجه آزادی آنها تغییر اسپین ( Spin - flip ) است. انرژی کل سیستم در یک میدان مغناطیسی قوی ( B ) برابر است با:
ET=uB ( N+ - N - )
که در آن u ممان مغناطیسی هر اتم و +N و - N به ترتیب تعداد اتم های اسپین بالا و تعداد اتم های اسپین پایین هستند. هنگامیکه نیمی از اتم ها، دارای اسپین مثبت و نیمهٔ دیگر دارای اسپین منفی باشند، E کل سیستم برابر صفر خواهد بود؛ همچنین هنگامیکه تعداد بیشتری رو به پایین باشند انرژی کل منفی و اگر تعداد بیشتری رو به بالا باشند انرژی کل مثبت است. حداقل انرژی زمانی اتفاق می افتد که همه اتم ها دارای اسپین رو به پایین باشند. در این حالت انرژی کل برابر uBN - است و دما، صفر مطلق خواهد بود. البته این فقط یکی از پیکربندی های سیستم است.
انتروپی برابر با لگاریتم تعداد ریزحالت هاست. در این مورد خاص log1=۰ است. حال اگر به سیستم یک بسته انرژی کوانتومی به اندازه uB بیفزاییم، یک اتم اجازه خواهد داشت که اسپین خود را رو به بالا تغییر دهد، به همین دلیل N حالت جدید به وجود می آید و در این صورت داریم که انتروپی log N است.
اگر بسته دیگری از انرژی کوانتومی به مجموعه بیفزاییم، به اندازه N ( N - ۱ ) /۲ پیکربندی جدید با دو اسپین رو به بالا خواهیم داشت. انتروپی به سرعت افزایش می یابد و دما نیز به همان صورت بیشتر می شود؛ با این حال برای این سیستم انتروپی تا ابد افزایش نمی یابد.
حداکثر انرژی این سیستم می تواند به اندازه uBN+ باشد که در آن همه اسپین ها رو به بالا هستند. در این حالت نیز فقط یک ریزحالت موجود است و بدین ترتیب انتروپی نیز صفر است. حال اگر یک بسته انرژی uB را از مجموعه کم کنیم به یک اسپین اجازه داده ایم تا رو به پایین تغییر کند. باز هم در این حالت N ریزحالت داریم، یعنی با کاهش انرژی افزایش انتروپی خواهیم داشت. به جمله اول، بازمی گردیم. در واقع بیشینه بی نظمی مربوط به انرژی کل صفر است که در آن نیمی از اتم ها رو به بالا و نیمی دیگر رو به پایین هستند. اکنون سیستمی را طراحی کردیم که هرچه انرژی را بیفزاییم دما به سمت مثبت میل می کند تاجاییکه انتروپی به حداکثر مقدار خود برسد؛ یعنی زمانیکه نیمی از اسپینها رو به بالا هستند.
wiki: دمای منفی