Temperatura negativa: differenze tra le versioni

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{{Da controllare|La voce non spiega bene il significato di tale concetto, dando troppe cose per scontate, rischiando quindi di generare confusione|fisica|febbraio 2022}}{{S|fisica}}

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In fisica, certi sistemi possono raggiungere una '''temperatura negativa''',la loro [[temperatura termodinamica]] si esprime come quantità negativa nella scala di temperatura [[Kelvin]].

Nell'uso colloquiale, con temperatura negativa ci si riferisce ai numeri negativi nelle scale di temperatura [[Celsius]] e [[Fahrenheit]] che sono comunque temperature più calde dello [[zero assoluto]] della scala Kelvin.

Avere una temperatura negativa nella scala Kelvin significa avere ''più caldo'' di sistemi a temperatura positiva.

Se un sistema con temperatura negativa entra in contatto con un sistema a temperatura positiva, il calore fluirà dal sistema "negativo" al sistema "positivo".

Per '''temperatura negativa''' si definiscono valori negativi di [[Temperatura assoluta|temperatura termodinamica]] che descrivono [[Sistema termodinamico|sistemi]] con particolari caratteristiche, considerando la definizione della [[temperatura]] che la lega specificamente all'[[entropia]] e all'energia.

Siccome la temperatura è interpretata come il valore medio rappresentante l'energia di un sistema, risulta paradossale che un sistema a temperatura negativa sia più caldo di un sistema "positivo".

Una maggior rigorosa definizione della temperatura è data dalla relazione tra energia e [[entropia]], con il reciproco della temperatura termodinamica ovvero la [[beta termodinamica]], come quantità fondamentale.

I sistemi con temperatura positiva incrementano la loro entropia quando viene aggiunta energia al sistema, invece sistemi con temperatura negativa la decrementano.

Si realizza ciò con un sistema dove la maggioranza delle particelle si trovano ad un alto livello di energia, l'esatto opposto di ciò che si evince dalla [[distribuzione di Boltzmann]] dove sono solo poche particelle ad avere un alto livello di energia.

Alcuni autori si dichiarano scettici sulla possibilità dell'esistenza di sistemi a temperatura negativa, in particolare contestando il presupposto della definizione di entropia secondo [[Ludwig Boltzmann|Boltzmann]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome1=J.|cognome1=Dunkel|nome2=S.|cognome2=Hilbert|lingua=en|titolo=Consistent Thermostatistics Forbids Negative Absolute Temperatures|rivista=Nature Physics|numero=10|p=67|anno=2014}}</ref>

I sistemi tradizionali non raggiungono temperatura negative poichè all'aumentare dell'energia in un sistema è semper associato un incremento di entropia.

==Base logica==

== Sperimentazioni ==

La temperatura viene usualmente definita come una misura dello stato di agitazione delle entità particellari (atomi e molecole) che costituiscono un sistema. Più specificamente, secondo la [[distribuzione di Boltzmann]], la temperatura è interpretata come il valore medio rappresentante l'energia di un sistema. Una definizione più rigorosa è data dalla relazione tra energia ed entropia, con il reciproco della temperatura termodinamica, ovvero la [[beta termodinamica]], come quantità fondamentale.

Ricercatori del [[Università Ludwig Maximilian di Monaco|Università Ludwig Maximilian]] di [[Monaco]] il [[5 gennaio]] [[2013]] hanno annunciato di aver creato, tramite laser un sistema a energia negativa, affermando che ciò potrebbe avere implicazioni in macchine con cicli di carnot con un rendimento superiore al 100%.<ref>http://www.tomshw.it/cont/news/lo-zero-assoluto-non-e-piu-assoluto-e-l-entropia-si-controlla/42126/1.html Lo zero assoluto non è più assoluto, e l'entropia si controlla, tom's hw</ref>

Ipotizziamo sistemi in cui la classica distribuzione di Boltzmann sia impedita da particolari condizioni sperimentali, in particolare in cui i singoli componenti, grazie a un confinamento, possano assumere solo due livelli energetici e vengano reclutati progressivamente al [[livello energetico]] superiore dall'aumento di energia del sistema. A partire dallo [[stato fondamentale]] di minima energia ed entropia, si può affermare in questo caso che l'entropia aumenta fino al momento in cui il numero di componenti "energetici" diventa uguale a quello a energia minima, condizione che rappresenta lo stato di massimo disordine del sistema stesso, con un valore di T&nbsp;=&nbsp;+∞&nbsp;K secondo la definizione della temperatura citata. Da quel momento in poi l'ulteriore incremento di energia farà sì che il numero di componenti a energia maggiore prevarrà ([[inversione di popolazione]]) e l'entropia inizierà a diminuire; quando tutti i componenti del sistema avranno assunto il valore di energia più elevato si avrà lo stato di massimo ordine, cioè l'entropia ritornerà al valore minimo possibile. Si realizzerebbe in tal modo la condizione di un rapporto inverso fra energia ed entropia, in cui, per definizione, la temperatura termodinamica assumerebbe valori negativi.

Da quanto detto deriva che una temperatura negativa nella scala Kelvin esprimerebbe, paradossalmente, un calore più elevato rispetto a una temperatura positiva. Se un sistema con temperatura termodinamica negativa entrasse in contatto con uno a temperatura positiva il calore fluirebbe dunque dal primo al secondo.

==Esperimenti==

La prima sperimentazione relativa a sistemi a temperatura negativa risale all'inizio degli [[Anni 1950|anni cinquanta]].<ref>{{Cita pubblicazione|nome1=E.M.|cognome1=Purcell|nome2=R.V.|cognome2=Pound|titolo=A Nuclear Spin System at Negative Temperature|rivista=[[Physical Review|Phys. Rev.]]|numero=81|p=279|data=15 gennaio 1951|DOI=10.1103/PhysRev.81.2791|lingua=en}}</ref>

Più recentemente, nel 2013, ricercatori del [[Università Ludwig Maximilian di Monaco]] hanno annunciato di aver creato, tramite [[laser]], un sistema a temperatura negativa, affermando che ciò potrebbe avere implicazioni in macchine con [[Ciclo di Carnot|cicli di Carnot]] con un rendimento superiore al 100%.<ref>{{Cita pubblicazione|nome1=S.|cognome1=Braun|nome2=J.P.|cognome2=Ronzheimer|nome3=M.|cognome3=Schreiber|nome4=S.S.|cognome4=Hodgman|nome5=T.|cognome5=Rom|nome6=I.|cognome6=Bloch|nome7=U.|cognome7=Schneider|titolo=Negative Absolute Temperature for Motional Degrees of Freedom|rivista=[[Science]]|numero=265|p=52|anno=2013|lingua=en}}</ref>

Del 2014 è un esperimento eseguito alla [[Washington State University]] che ha raggiunto la temperatura di 100 miliardesimi di grado sotto gli 0 kelvin.<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=Hamner|nome=C.|cognome2=Qu|nome2=C.|cognome3=Zhang|nome3=Y.|etal=sì|titolo=Dicke-type phase transition in a spin-orbit-coupled Bose–Einstein condensate|url=https://archive.org/details/arxiv-1405.2132|lingua=en|rivista=Nat Commun|numero=5|p=4023|anno=2014}}</ref>

== Note ==

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== Voci correlate ==

*[[Temperatura assoluta]]

*[[Zero assoluto]]

*[[Distribuzione di Boltzmann]]

[[Categoria:Fisica]]

[[Categoria:Meccanica statistica]]

[[ar:حرارة سالبة]]

[[el:Αρνητική θερμοκρασία]]

[[en:Negative temperature]]

[[es:Temperatura negativa]]

[[kk:Теріс абсолют температура]]

[[ja:負温度]]

[[nn:Negativ temperatur]]

[[ro:Temperatură absolut negativă]]

[[ru:Отрицательная абсолютная температура]]

[[sv:Negativ temperatur]]