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负温度的概念

在热力学中，开氏温度定义为，x表示热力学坐标，S，U分别表示系统的熵和内能.通常熵S随内能U单调增加，故温度T是正的.但如果熵S随内能U单调增加而减少时，偏导数为负数时，温度T就是负温度.根据麦克斯韦——玻尔兹曼能量分布律.对系统中两个能级上的粒子数之比为，若有，则有粒子数n₁>n₂，即分子将优先占据低能量状态，温度可以写成，温度此时为正值；若高能级上粒子数高于低能级上粒子数（粒子数翻转），即有n₁<n₂，而且这样的状态能相对稳定地维持一定时间而处于局域平衡，这样的子系便处于负温度状态.1951年柏塞尔和庞德通过对纯氟化锂晶体中核自转系统性质的实验研究，首次发现粒子数翻转分布的现象，证明了负温度系统的存在.温度是表征粒子在能级上分布的物理量.温度越高，分布在高能级上的粒子数越多.当T趋于正负无穷大时，两个能级上的粒子数相等.再吸收热量，粒子数反转分布，温度变为负值，此时的温度是比无穷大温度还要高的温度.0⁺K，…，K，…，0^—K，由冷逐渐变热.此时温度显然不能理解粒子平均动能的标志，因为动能没有定义负值.只需将玻尔兹曼分布函数中定义成一个新的温度=，这样温度便定义在实数集上了，与人们通常习惯一致了，最冷是K了，负温度在研究激光器及微波激射量子放大器时是一个十分重要的概念，但只是将翻转分布与玻尔兹曼分布的数学表达式进行对照而得出的结论，这时整个系统仍然处于正温状态，要不然实现负温状态的激光器，在比无穷大还高的温度下，早已不复存在.这样理解温度的确标志着系统中粒子热运动的剧烈程度，这与温度的微观意义的定性描述是一致的.