Термодинамика - Базаров И.П.
Скачать (прямая ссылка):
Если равновесные состояния с инверсной заселенностью энергетических уровней и, следовательно, с отрицательной абсолютной температурой можно получить только у необычных систем, которыми являются лишь спиновые системы, то стационарные неравновесные состояния с инверсной заселенностью уровней можно непрерывной «подкачкой» создать и у обычных систем. Это осуществляется в таких усилительных установках, как мазеры. Эчень часто, говоря об инверсной заселенности энергетических уровней, употребляют понятие отрицательной абсолютной температуры, однако это лишь условное терминологическое понятие, поскольку инверсная заселенность уровней еще не есіь состояние ; отрицательной температурой. Необходимо, чтобы система находилась в равновесном состоянии при инверсной заселенности уровней, как это наблюдается в спиновых системах.
I 33. ТЕРМОДИНАМИКА СИСТЕМ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ТЕМПЕРАТУРАМИ
Системы с отрицательными абсолютными температурами обладают рядом специфических свойств, которых нет у обычных систем. Чтобы установить эти свойства, сформулируем, опираясь на опыт, вначале основные законы термодинамики для таких систем.
1. Термодинамические понятия «работа», «теплота», «количество теплоты», «более нагретое тело» употребляются при анализе состояний с отрицательной температурой в том же смысле, что я в случае состояний с положительными абсолютными температурами. Это означает, что формулировка первого начала термодинамики для систем с отрицательной абсолютной температурой остается без изменения:
141 6O=d{/+6JF.
Остается также прежней формулировка второго начала термодинамики в виде закона о существовании и возраеіании •энтропии, другие же формулировки этого начала изменяются. Выберем за исходное такое выражение второю начала, которое непосредственно следует из опыта по превращению тепло і ы в работу и работы в теплоту.
В гл. 3 мы отмечали, что второе начало іермодинамики устанавливает, во-первых, общую закономерность превращения теплоты в работу и, во-вторых, выражает специфические закономерности как обычных, так и необычных систем. Общая закономерность превращения іенлош в работу в обоих случаях систем состоит в том, что при таком превращении в замкну і ом круговом процессе часть ген лоты непременно отдается рабочим телом другим телам. Этот (первый) элемет компенсации, который в случае обычных систем совпадает со вторым элементом компенсации (изменением термодинамического состояния других тел), приводит к существованию энтропии у равновесной системы (см. § 13). Отсюда следует, что второе начало, сформулированное Каратеодори, не изменяется; вблизи каждого состояния любой термически однородной системы существуют такие состояния, которые недостижимы из него адиабатным путем. Это означает, чю у всякой равновесной сисіемьі в сосюянии с отрицательной абсолютной температурой (как и в случае обычных систем) существует энтропия как функция ее состояния
Специфическая закономерность превращения теплоты в работу и работы в теплоту в случае обычных сисіем, как известно, состой і в т ом, что если при превращении теплоты в рабо і у в замкнутом круговом процессе происходит изменение термодинамического состояния других тел. то превращение работы в тепло і у не связано с таким изменением'
Как показывает опыт*1, в случае необычных систем, когда они находятся в состояниях с '/'<0 К, специфическая закономерность прямого и обратного превращений теплоты в работу заключается в том, что т епло і а превращается в работу без всяких изменений в окружающих телах, работу же в і сил оту
" Имеются в виду эксперимен і ы но ядерному магнит ному резонансу, которые здесь не изложены.
(7.3)
g> W И W=Q.
(7.4)
142 невозможно полностью превратить в замкнутом процессе без изменения в окружающих телах*':
Q=W и W>Q. (7.5)
Поэтому второе начало для необычных систем при Т< OK можно сформулировать в следующем виде: невозможен вечный двигатель второго рода, причем это утверждение допускает обращение.
Это означает, что в замкнутом круговом процессе при Г<0 К ни теплоту нельзя превратить в работу без компенсации (имеется в виду первый элемент компенсации), ни работу в теплоту (имеется в виду второй элемент компенсации).
Таким образом, для любых сисіем (обычных и необычных) можно исходить из следующей формулировки вюрого начала: невозможен вечный двигатель второго рода, причем это утверждение не допускает обращения в случае обычных систем и допускает обращение при Т< OK для необычных систем.
Понятия «обратимый и необратимый процессы» определяются в случае отрицательных абсолютных температур тем, связаны ли обратные им процессы с некомпенсированным превращением работы в теплоту. Так, процесс перехода системы из состояния 1 в состояние 2 называется обратимым, если обратный переход из 2 в / не связан с некомпенсированным превращением работы в іенлоіу; процесс же перехода системы из і в 2 называется необратимым, если обратный переход из 2 в / связан с некомпенсированным превращением работы в теплоту.
Определения равновесного и неравновесного процессов остаются без изменения.
