負溫度

負溫度是物理學概念，在部分熱力學系統可以達到此狀態，亦即其熱力學溫度可以以負的熱力學溫標或蘭金溫標表示。而在口語中，該詞多指0開爾文溫度以下的溫度。

基本介紹

• 中文名：負溫度
• 外文名：Negative temperature
• 簡述：描述開氏溫標所不能描述的狀態
• 含義：一般科學家所說的都是開爾文溫度
• 類型：負溫度是物理上的一個概念

簡介

負溫度是物理學概念，在部分熱力學系統可以達到此狀態，亦即其熱力學溫度可以以負的熱力學溫標或蘭金溫標表示。而在口語中，該詞多指0攝氏度以下的溫度。

與一般認為的相反，達到負溫度的熱力學系統的溫度比任何在絕對零度以上的熱力學系統都要熱而不是冷，而且若和帶有正熱力學溫度的系統相接觸，熱量會從該負溫度系統轉移到正溫度系統內。這聽起來像個悖論，因為一般都認為溫度反映的是系統內分子的平均動能。但是若是使用溫度更嚴格的定義：

其中E是系統內能,S是系統的熵，N是粒子數，已假定體積不變。 從此式看出，溫度定義為系統粒子數守恆和體積不變時能量隨熵的變化率，那么此悖論便可以解決。給帶有正熱力學溫度的系統增加能量，系統的熵增加；而給帶有負熱力學溫度的系統增加能量，系統的熵會減小。

人們熟悉的絕大多數系統均無法達到負溫度狀態，因為其熵總是隨著能量增加而上升。若要使一個系統的熵減小，那么首先這個系統的熵需要“飽和”，高能量的狀態要少。這種有能量上限的系統通常是不被經典理論所允許的。也就是說，負溫度系統實際上是一個量子現象。但是也有一些系統確實存在著這樣一個“能量上限”，而且它們的熵也確實會在能量逼近這一上限的時候減小，比如雷射、二維的漩渦運動等。

蘭金溫標

蘭氏度（蘭金，Rankine）是一個熱力學溫度單位。可以理解為是以絕對零度為計算起點的華氏溫度。由英國工程師及物理學家威廉·約翰·麥夸恩·蘭金在1859年提出，因而得名。現在已經幾乎廢棄不用。

蘭金溫標，又稱為冉肯溫標。其符號為。有時亦會寫作， 但情況與絕對溫標一樣，是一種不正確的寫法。蘭金溫標和絕對溫標的零度皆為絕對零度，但蘭金溫標的間距是採用華氏溫標，而絕對溫標的間距則採用攝氏溫標。

現時，只有在美國的少部分工程領域是以蘭金溫標作量度單位。而科學界大多依照國際單位制即絕對溫標作為熱力學溫度的量度單位。

熱力學系統

熱力學系統（英語：Thermodynamic system）是指用於熱力學研究的有限巨觀區域，是熱力學的研究對象。它的外部空間被稱為這個系統的環境。一個系統的邊界將系統與它的外部隔開。這個邊界既可以是真實存在的，也可以是假想出來的，但必須將這個系統限制在一個有限空間裡。系統與其環境可以在邊界進行物質，功，熱或其它形式能量的傳遞。而熱力學系統可以從它的邊界（或邊界的一部分）所允許的傳遞類型進行分類。

熱力學系統有一系列的狀態函式，比如體積，壓強，溫度等。這些量都是可以通過實驗測量的巨觀量。這些量的數值共同決定這個系統的熱力學狀態。一個熱力學系統的狀態函式通常存在一個或多個函式關係。這些關係可由狀態方程表述。平衡熱力學不涉及對這些狀態函式的通量的研究。因為由熱力學平衡的定義可以自然得到，這些函式的通量的值為零。當然，平衡熱力學可能會涉及使通量不為零的過程，但在熱力學過程進行前，這些過程必需停止。非平衡熱力學允許狀態函式通量不為零。通量不為零表示在系統和它的環境間存在物質，能量或熵等的傳遞。

孤立系統是一種假想存在的系統。這種系統與其外界無任何相互作用。在理想狀況下，其內部處於熱力學平衡，即它的熱力學狀態不隨時間變化。而非孤立系統根據它的邊界的性質可以與它的環境處於熱力學平衡。它們也可能處於時時變化或者循環變化（一種穩態）的非平衡狀態。系統與其環境的相互作用可以通過熱傳遞或者長程力等方式進行。

熱力學系統並非一個普遍概念，並不能代表全部的物理學系統。而這裡定義的熱力學系統的物理存在可以認為是平衡熱力學的基礎公設，儘管並沒有被列為一條熱力學定律。而在一些文獻中，熱力學第零定律通常的表述被認為是這一公設的一個推論。

熱力學系統的概念可以追溯到1824年尼古拉·卡諾對於熱機的研究。他當時稱其為熱機的工作物質。