Techniklexikon

negative Temperaturen

Thermodynamik und statistische Physik, negative absolute Temperaturen, über die »Temperatur unendlich« hinweg durch negative Werte fortgesetzte absolute Temperaturen.

Systeme mit negativen absoluten Temperaturen sind heisser als solche mit positiven Werten, kleinere negative Absolutwerte sind heisser als höhere: So ist z.B. -10 K heisser als -20 K.

Gewöhnliche, in der Natur vorkommende Systeme besitzen stets positive absolute Temperaturwerte. Dennoch lassen sich in bestimmten Systemen, etwa solchen mit magnetischen Momenten, negative absolute Temperaturen beobachten. Ebenfalls kommen negative Temperaturen auch in Nichtgleichgewichtssystemen wie dem Maser oder Laser vor.

Da das Unterschreiten des absoluten Temperaturnullpunktes durch den dritten Hauptsatz der Thermodynamik verboten ist, lässt sich der Temperaturbereich nur über die »Temperatur unendlich« hinweg fortsetzen. Anschaulich wird der so erweiterte Bereich in der -1 / T-Skala (siehe Abb. 1b) dargestellt. Der Nullpunkt einer solchen Skala ist durch  der Kelvin-Skala festgelegt. Auf ihr sind wie gewohnt links liegende Werte kälter als diejenigen, die weiter rechts liegen.

Voraussetzung für die Bereichserweiterung durch negative absolute Temperaturen ist, dass die innere Energie U für  einen endlichen Wert besitzt und mit zunehmender absoluter Temperatur, eben negativer absoluter Temperatur, endlich bleibt. Systeme mit solchen Temperaturen lassen sich wie gewohnt mit den Gesetzen der Thermodynamik behandeln. Es ist aber auf Besonderheiten zu achten: So nimmt beispielsweise in einem abgeschlossenen System, wegen , die Entropie mit wachsender Energie im Bereich negativer absoluter Temperaturen wieder ab, obwohl sie wie gewohnt für wachsende positive Temperaturwerte zunimmt und auch für  maximal wird (siehe Abb. 2). Ausserdem vertauschen bei einem Carnotschen Kreisprozess Arbeit und Wärme gegenüber gewöhnliche Systemen ihre Rolle, wenn er für negative absolute Temperaturen durchgeführt wird.

negative Temperaturen 1: Die Charakterisierung der absoluten Temperatur mit Hilfe (a) der T-Skala und (b) der (-1 / T)-Skala; auf dieser sind die korrespondierenden T-Werte eingetragen.

negative Temperaturen 2: Die Entropie eines Systems, dessen innere Energie für  endlich bleibt.