Pregunta : ¿Cuál es el significado físico de la temperatura negativa?
La temperatura negativa es un ” nombre inapropiado “.
Como resultado, todos los intentos de “interpretación (es) física (s)” de temperatura negativa serán en vano o, peor aún, engañosos. Sin embargo, si comprende el contexto en el que los físicos usan el término temperatura negativa, entonces no debería haber confusión.
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¡Entonces veamos de qué se trata el alboroto!
Para un sistema en equilibrio (digamos, un gas de moléculas que se ha mantenido intacto durante mucho tiempo), el número de partículas que ocupan estados de mayor energía al número de partículas que ocupan estados de baja energía viene dado por la “distribución de Maxwell-Boltzmann” .
La distribución de Boltzmann es una distribución de probabilidad que da la probabilidad de un cierto estado en función de la energía y la temperatura del sistema de ese estado. Se da como:
[matemáticas] {\ displaystyle p_ {i} = {\ frac {e ^ {- {\ varepsilon} _ {i} / kT}} {\ sum _ {i = 1} ^ {M} {e ^ {- { \ varepsilon} _ {i} / kT}}}}} [/ math]
donde [math] p_i [/ math] es la probabilidad del estado i, [math] \ varepsilon_i [/ math] la energía del estado i, k la constante de Boltzmann, T la temperatura del sistema y M es el número total de todos estados accesibles al sistema.
Lo que la distribución de Boltzmann simplemente le dice es que los estados de mayor energía tendrán una ocupación exponencialmente menor, y los estados de menor energía en contraste serán más preferibles; algo que observamos con frecuencia en la vida cotidiana.
Como puede ver en la ecuación, la distribución de Boltzmann tiene solo un parámetro, llamado Temperatura. Todas las demás variables como la energía son solo una función del sistema en consideración.
Si luego aplica esta ecuación a una situación de no equilibrio , diga un láser, excitado pero aún no estimulado para emitir . Entonces tienes un sistema con mayor ocupación en los estados de mayor energía. Esto contrasta con el ejemplo de un gas en equilibrio para el que los estados superiores tienen una menor ocupación. ( Este fenómeno en los láseres se llama inversión de población ) .
Ahora, si toma este sistema de no equilibrio y trata de ajustar el parámetro (temperatura), obtendrá un valor negativo. Esto se debe a que puede tener más partículas a alta energía que a baja energía, solo al revés de la situación de equilibrio habitual . Por supuesto que no están en equilibrio. Pero si ignoras eso, entonces puedes usar la fórmula de Boltzmann, y te da una T negativa.
¡Eso es! Eso es todo lo que necesita saber sobre lo que significa la temperatura negativa.
A varios físicos no les gusta esta nomenclatura porque hace que el concepto de temperatura sea menos útil, y se reservan para usar el término temperatura solo en casos de equilibrio o cuasiquilibrio.
Entonces, la próxima vez que alguien venga a ti diciendo que hay sistemas que tienen temperatura negativa, puedes seguir adelante y decir, ¡bla, bla! Es solo un sistema fuera de equilibrio donde los estados de mayor energía tienen una mayor ocupación.
Espero que ayude.
¡Paz!
