[论文解读] Query on Negative Temperature, Internal Interactions and Decrease of Entropy

Yi‐Fang Chang|ArXiv.org|Apr 16, 2007

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 12被引用 6

一句话总结

本文挑战了热力学中负温度的传统理解，认为在某些条件下，负温度会导致熵的悖论性减少。它提出，孤立系统中的内部相互作用和涨落放大可能使熵减少，从而质疑负温度在平衡热力学中的物理一致性。

ABSTRACT

After negative temperature is restated, we find that it will derive necessarily decrease of entropy. Negative temperature is based on the Kelvin scale and the condition dU>0 and dS<0. Conversely, there is also negative temperature for dU<0 and dS>0. But, negative temperature is contradiction with usual meaning of temperature and with some basic concepts of physics and mathematics. It is a question in nonequilibrium thermodynamics. We proposed a possibility of decrease of entropy due to fluctuation magnified and internal interactions in some isolated systems. From this we discuss some possible examples and theories.

研究动机与目标

• 重新表述并批判性地审视热力学中负温度的概念。
• 研究负温度对熵变的影响，特别是熵减少的悖论。
• 在标准热力学原理的背景下，质疑负温度的物理有效性。
• 探讨孤立系统中由于内部相互作用和涨落放大导致熵减少的可能性。
• 质疑负温度在非平衡热力学中的适用性及其与基本物理和数学概念的一致性。

提出的方法

• 使用开尔文温标及条件 dU > 0 和 dS < 0 重新解释负温度。
• 分析 dU < 0 和 dS > 0 的对称情况，以探讨负温度定义的二重性。
• 识别负温度与传统热力学定义及数学一致性的矛盾。
• 提出一个理论框架，其中孤立系统中的内部相互作用和涨落放大可能导致熵减少。
• 通过思想实验和理论分析，探讨由于非平衡动力学可能导致熵减少的系统。
• 类比并讨论可能的物理实例，以说明所提出的熵减少机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 dU > 0 和 dS < 0 条件下定义负温度会产生哪些热力学后果？
• RQ2 负温度如何与热力学中既定的物理和数学原理相矛盾？
• RQ3 孤立系统中的内部相互作用和涨落放大是否可能导致熵减少？
• RQ4 负温度在非平衡热力学系统中是否具有物理意义？
• RQ5 熵减少对孤立系统中熵增原理（第二定律）有何影响？

主要发现

• 通过 dU > 0 和 dS < 0 定义的负温度与温度和熵的标准解释存在根本性矛盾。
• 本文指出，负温度与温度的通常含义及基本热力学概念不一致。
• 提出由于内部相互作用和涨落的放大，孤立系统中可能发生熵减少。
• 分析表明，此类熵减少与平衡热力学不相容，但在非平衡条件下可能实现。
• 本文结论认为，由于负温度与核心热力学原理不一致，该概念在物理学中仍存在严重问题。
• 讨论了理论实例以说明内部动力学可能导致熵减少，尽管未推导出定量模型。