-
fszrtkvltzttni #43 Mi a hőmérséklet:
Alapvető tapasztalatunk, hogy az anyagokat különböző hőmérsékletűnek érezzük. Az is alapvető tapasztalat, hogy a különböző hőmérsékletű anyagok hőmérséklete idővel közeledik egymáshoz. Ez alapján definiáltuk már régen a hideg és a meleg fogalmát, illetve a hőt, ami áramlik közöttük, a meleg felől a hideg felé. Ebből már logikailag következik, hogy a a különböző anyagok hőmérséklete idővel spontán kiegyenlítődik. Erre alapozva vezették be a termodinamikai egyensúly és a mérhető hőmérséklet definícióját:
- Egy rendszer termodinamikai egyensúlyban van, ha benne hőáramlás nem tapasztalható.
- Egy rendszer hőmérséklete egyenlő, a vele termodinamikai egyensúlyban lévő hőmérő hőmérsékletével.
- A hőmérő egy olyan eszköz, amely valamilyen, a hőmérsékletével arányos jelet produkál.
Ami itt fontos, hogy a hőmérséklet termodinamikai egyensúlyra van definiálva. Ha egy rendszerben hő áramlik, akkor a rendszernek nincs hőmérséklete!
Egy hideg vízzel feltöltött kádba ha meleg vizet engedek, akkor annak a kádnak nem lesz hőmérséklete egészen addig amíg be nem áll a termodinamikai egyensúly. A kádban lévő víz egy részének lehet, de az egésznek nem.
(Megjegyzés: Mivel a termodinamikai egyensúly csak végtelen idő alatt áll be, ezért a gyakorlatban kevésbé vagyunk szigorúak, és a közel termodinamikai egyensúlyban lévő rendszerekre is értelmezünk hőmérsékletet. Éles határ viszont nincs! Ez a hőmérséklet elvi problémája.)
De hát infrahőmérő is van!
Miután Newton elkészítette az első spektrométert, majd elkezdték vizsgálni a tárgyak által kibocsátott elektromágneses sugárzás spektrumát, rájöttek, hogy annak egy része függ a test hőmérsékletétől. Azt is észrevették, hogy ha egy nagy üregen van egy pici rés, akkor az onnan kilépő sugárzás már csak a hőmérséklettől függ. Ezt elnevezték feketetest sugárzásnak (azért így, mert a pici lyuk mindennél feketébbnek látszott). Ezen alapszik az infra hőmérés. Ezzel viszont megint az a baj, hogy csak a fekete testre igaz. A többinél az ilyen mérés csak közelítő adatot ad. Ez nem a mérőberendezés problémája, hanem elvileg lehetetlenség hétköznapi tárgyak hőmérsékletét pontosan megmérni ilyen módon. Éppen ezért csak távmérésre szokták használni, ahol nincs szükség nagy pontosságra. (A pontosságáról annyit, hogy egy hétköznapi hőmérő általában pontosabb.)
Nagyon sok más hőmérőt is készítettek, gyakorlatilag minden hőmérséklet függő fizikai effektust kalibrálás után fel lehet használni hőmérséklet mérésére. Például: ilyen pl. a fémek ellenállása amivel néhány kelvinig le lehet menni, vagy a például az NMR jel kiszélesedése, ami majdnem egy milliomod kelvinig jó. Minden hőmérőre igaz, hogy a saját hőmérsékletét méri, amely termodinamikai egyensúlyban azonos a mért rendszer hőmérsékletével. Amennyire problematikás a hőmérséklet fogalma, annyira jól működik a gyakorlatban, ugyanis az összes mérőműszer a mérési hibahatárán belül ugyanazt a hőmérsékletet mutatja, feltéve, hogy elegendő időt várunk, hogy a termodinamikai egyensúlyt elegendően megközelítsük. A pontosságot pedig precíz műszerekkel gyakorlatilag tetszőlegesen növelhetjük. (Elvi határok műszertípusonként azért vannak.)
Ez a hőmérséklet (vagy inkább klasszikus hőmérséklet), aminél el kell fogadnunk, hogy nem minden esetben tudunk egy rendszerhez hőmérsékletet definiálni. Vannak akiknek ez a megkötés nem tetszik, és szeretnének valamifajta hőmérsékletet definiálni egyensúlytól messze eső állapotra is. Erre ad lehetőséget a statisztikus fizika. A statisztikus fizika képes leírni a termodinamikai egyensúly állapotát, és visszaadja a hagyományos hőmérséklet értékét. Viszont a statisztikus fizika nem korlátozódik az egyensúlyi állapotra, így ilyen megközelítéssel tetszőleges rendszerre lehet hőmérsékletet definiálni. Tudtommal egységes definíció nem egyensúlyi rendszerek hőmérsékletére nincs. Ami még fontos, hogy ez hagyományos módon nem mérhető. Meg lehet mérni különböző fizikai mennyiségeket, ezekből ki lehet számolni a rendszeren belül az energia eloszlását a különböző "szabadsági fokok" között (ezt nevezik populációnak), majd ebből számolni valamiféle hőmérsékletet. Az ilyen, statisztikus fizikával számolt hőmérsékletnek egy valamit kell tudnia: termodinamikai egyensúlyban a hagyományos hőmérsékletet kell visszaadnia. Más megkötés nincs. Éppen ezért nem csak negatív, hanem KOMPEX értékű hőmérsékletet is lehet definiálni! (Yang-Lee theory to the complex temperature plane) Na erre varjatok gombot!
Miért nem mérhetőek hagyományos hőmérővel ezek a hőmérsékletek?
Azért, mert a hőmérő mindig a saját hőmérsékletét fogja mutatni, ami csak termodinamikai egyensúlyban egyenlő a mérendő rendszer hőmérsékletével. Az infra hőmérő alkalmatlan pontos hőmérsékletmérésre. A kialakult populáció számolható más mérésből, majd a populációból számolható hőmérséklet.
Miért rossz a cím?
A hőmérséklet egy folytonos változó. A cikkben szereplő "átlépni" szó úgy is lehet értelmezni, hogy csökkentették a hőmérsékletet, elérték a 0°K-t, majd negatív tartományba mentek. Ez nem igaz. Le van írva világosan, hogy mit csináltak. Hagyományos hűtéssel levitték a hőmérsékletet egy 0°K-hez közeli értékre, de nem 0°K-re. A rendszer ekkor termodinamikai egyensúlyban volt. Ezután lézerekkel megszüntették a termodinamikai állapotot, és létrehoztak egy olyat, amilyenhez statisztikus fizikai alapon negatív hőmérséklet tartozik. Miért nem a 0°K átlépése ez? Azért, mert közben nem közeledett a hőmérséklet (még a statisztikus fizika alapján számolt se!) a 0°K-hez, így értelemszerűen át sem léphette azt. Ehelyett megkerülte. Ez egy pongyola megnevezés. Nem csak itt, hanem a Nature-ben is. Sajnos a Nature egy populáris lap, és a tudósok sokszor pongyolán fogalmaznak benne.
Na jó, de hol érdekes az az egész hőmérsékletdefiníciósdi, nem csak tudományos faszverés? A hagyományos hőmérséklet akkor jó, ha a rendszer közel van a termodinamikai egyensúlyhoz. Minél közelebb van, annál jobban közelíti az ezzel számolt adat a mértet, tehát a valóságot. A technikai fejlődéssel viszont oda jutottunk, hogy egyre több eszközünk egyre távolabb kerül a termodinamikai egyensúlytól, így egyre nagyobb lesz az a hiba amit akkor ejtünk amikor a termodinamikai egyensúlyban definiált hőmérsékletet alkalmazzuk az ilyen eszközök működésének leírására. Az első ilyen eszközünk a lézer volt. De ilyen eszköz lesz lassan az összes informatikai eszközünk is, hála a miniatürizálásnak. Minél nagyobb mennyiségű adatot préselünk bele minél kisebb rendszerbe, annál távolabb kerül az az termodinamikai egyensúlytól. És ilyen eszközök lesznek a reménybeli kvantumszámítógépek is.