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科学探索

达不到绝对零度,但为什么会有负绝对温度

科学探索万象经验2023-10-19

在新冠流行期间,温度可能是我们最常接触到词语之一,我们用它作为是否发烧的直接证据。此外,我们都听说过水在100摄氏度下沸腾,在0摄氏度时结冰。而比水结冰更冷的温度,对于摄氏度来说是负温度,我们称之为零下。

但是,当科学家谈论温度时,一般情况下他们谈论的是开尔文温标,它从绝对零到正无穷大。根据热力学第三定律,我们不能在有限的步骤中达到绝对零度,更别说是比绝对零度还低了。但是,在物理学中,确实存在负绝对温度的概念,那么这是怎么回事呢?

为了回答这个问题,我们需要知道温度的定义是什么?对温度的定义是,在粒子数和体积不变的情况下,熵相对于能量的导数。我们可以把它写成如下的形式:

接下来,我们假设存在一个系统。当它的内能为E1时,它的熵为S(E1);当它的内能为E2时,它的熵为S(E2)。假设我们让E2大于E1,那么我们对温度的定义就可以大致写成如下形式:

我们可以看到,温度只是一个斜率,是熵相对于能量变化的速率。在典型的热力学系统中,随着能量的增加,熵也会增加,如下图所示。从该图的角度来看,我们可以将温度的倒数显示为曲线的切线。这里的关键要点是,只要能量不断增加,熵也会不断增加,这保证了温度始终为正,并且更高的能量将对应更高的温度。