Liệu có tồn tại nhiệt độ âm tuyệt đối không

1) Nhiệt độ

Hầu hết ai cũng trả lời là " không " cho câu hỏi này. Bởi vì khi đó các nguyên tử, phân tử sẽ không còn chuyển động nữa. Trước hết, chúng ta cần hiểu rõ rằng không thể định nghĩa nhiệt độ bởi sự chuyển động của vật chất. Nhiệt độ tăng dẫn đến động năng của nguyên tử, phân tử cũng tăng. Nhưng đó chỉ là sự tương quan tỷ đối, đó không thể là định nghĩa.
Định nghĩa nhiệt độ thì thông dụng hơn định nghĩa entropy, bởi vì tất cả chúng ta đều có thể cảm nhận được nó.
Liệu có tồn tại nhiệt độ âm Kelvin không. Hiện nay, vẫn chưa có ai có thể hạ thấp nhiệt độ xuống âm độ Kelvin, thậm chí còn chưa thể hạ xuống 0 K bằng các cách làm lạnh hiện có.

2) Mô hình thống kê

Trong mô hình này, các phân tử khí được xem là các phân tử hình cầu nhỏ. Nhiệt độ tỷ lệ với động năng của phân tử. Tuy nhiên, không phải mọi phân tử đều có cùng vận tốc. Hình này mô tả sự phân bố hạt theo vận tốc ở 3 nhiệt độ khác nhau.

Một cách hiển nhiên, ta thấy sự phân bố đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngược lại, nhiệt độ được xác định bởi tỷ lệ số hạt ở tốc độ cao so với số hạt ở tốc độ thấp. Đây là mô hình có thể giúp chúng ta hiểu rõ về mối liên hệ này.

Vậy số hạt ở mức năng lượng Ei nào đó là bao nhiêu. Chúng ta thấy nó trong sự phân bố Boltzman.

N(i) = C*exp (-E(i)/kT)
Để cho đơn giản, ta giả sử chỉ có 2 mức năng lượng là Eh (high energy) và El ( low energy).

Từ đó, ta có   N(hi)/N(lo) = exp (-DeltaE/kT)
=>        - DeltaE/k
    T = -------------------
        ln [N(hi)/N(lo)]            


Do đó T>0 nên N(lo) > N(hi).
Nếu độ chênh lệch mức năng lượng không đổi, số lượng hạt N(hi)=N(lo) khi đó limNh→NlT=∞. Ta gọi đó là nhiệt độ không xác định ( infinity temperature ). Chúng ta có thể đạt được điều đó hay không. Ta vẫn chưa thể xác định. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng điều đó không thể làm bằng cách cung cấp nhiệt lượng được.


3) Nhiệt độ âm tuyệt đối

Một khi, số hạt ở mức năng lượng cao mà nhiều hơn số lượng hạt ở mức năng lượng thấp. Khi đó ta sẽ có thể đạt được nhiệt độ âm tuyệt đối như lý thuyết đã chứng minh.


4) Có tồn tại hệ thống ở nhiệt độ âm tuyệt đối hay không.

Cả 2 hệ thống nhiệt độ không xác định và nhiệt độ âm tuyệt đối đều có thể đạt được. Chúng ta hãy nhớ lại rằng trong môi trường khuếch đại của máy phát lasez. Trong đó, mật độ xác suất tìm thấy electron ở mức năng lượng cao lớn hơn so với mật độ xác suất electron ở mức năng lượng thấp. ( Đây là hiện tượng đảo mật độ ). Do đó chúng ta có thể hy vọng rằng ngày nào đó chúng ta sẽ có được nhiệt độ âm tuyệt đối.

Một số lời bình luận:

Nếu phân bố mà có số hạt năng lượng cao nhiều hơn số hạt năng lượng thấp thì phân bố đó người ta gọi là phân bố không cân bằng, trạng thái đó không tồn tại lâu được. Một khi mà hệ ở trạng thái không cân bằng thì không có khái niệm nhiệt độ.
Nhiệt độ chỉ được định nghĩa trong những hệ có cân bằng nhiệt động. Định nghĩa tổng quát nhất, nhiệt độ của một hệ bất kỳ là là đại lượng để xác định xem liệu hệ đó có thể cân bằng nhiệt động với một hệ khác hay không. Nhiệt động lực học, cái được dạy ở bậc ĐH, chỉ nghiên cứu nhưng hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Đối với những hệ không cân bằng nhiệt động, ví dụ như những hệ nhiệt động phụ thuộc thời gian, hệ nhiệt động mở, những hệ trong trạng thái kích thích ... các khái niệm và công cụ của nhiệt động lực cân bằng không còn áp dụng được.

Để các bạn hình dung về một hệ không cân bằng, tui lấy ví dụ về quá trình kích thích các điện tử trong bán dẫn bởi trường ánh sáng. Giả sử ta có 1 chất bán dẫn, ban đầu chưa bị kích thích, tức là không có điện tử trên vùng dẫn. Khi kích thích nó bằng một chùm ánh sáng (laser), các điện tử ở vùng hóa trị nhận năng lượng của photon và nhảy lên vùng dẫn. Nếu năng lượng của photon lớn hơn năng lượng khe vùng thì các điện tử sẽ nhận được động năng E_excess tương ứng với phần năng lượng dôi ra đó (phôton excess energy) và do đó phân bố điện tử theo năng lượng có dạng 1 đỉnh (peak) tại năng lương E=E_excess. Phân bố này rõ ràng không phải phân bố cân bằng Fermi và vì thế không thể định nghĩa nhiệt độ cho hệ các điện tử trong trạng thái kích thích. Sẽ rất phi lý nếu cố nắn nó vào phân bố ở điều kiện cân bằng (phân bố Boltzman, phân bố Fermi, phân bố Bose), điều đó có thể dẫn đến những thứ phi vật lý như nhiệt độ tuyệt đối âm chẳng hạn...

Việc không có khái niệm nhiệt độ cho hệ điện tử trong trạng thái kích thích chẳng gây khó khăn gì cho chúng ta khi nghiên cứu chúng cả. Trạng thái không cân bằng này của hệ không bền, phân bố không cân bằng là một hàm phụ thuộc vào thời gian. Do tương tác giữa các điện tử với các dao động mạng và tương tác giữa các điện tử với nhau, năng lượng của hệ điện tử sẽ được phân bố lại. Vì thế, sau một thời gian thì hệ sẽ hồi phục (relax) về trạng thái cân bằng nhiệt động với phân bố Fermi. Chỉ đến khi hệ đã đạt được cân bằng ta mới có thể xác định (định nghĩa) đươc nhiệt độ của hệ. Trong các chất bán dẫn, ví dụ GaAs, thời gian để hệ hồi phục về trạng thái cân bằng nhiệt động (thực ra là giả cân bằng) vào khoảng vài trăm femto giây đến vài pico giây. Trong quãng thời gian hồi phục đó không có khái niệm nhiệt độ cho hệ điện tử.
Comments