李申生

(首都师范大学物理系 北京 100048)

近年来在与多位中学物理教师接触的过程中，只要一提到“负温度”这个名词，多数都会回答“闻所未闻”，或感到迷惑和神秘莫测．为弥补这种缺陷，值此《物理通报》出版30周年之际，特献上此文供中学物理教师一阅.

1 问题的提出

其实，早在20世纪40年代，在前苏联理论物理大师朗道及其弟子栗弗席兹合著《理论物理学》丛书之一《统计物理学》中就已明确地提出了负温度存在的可能性[1].因为在热力学中，任何一个系统的宏观性质都可以由温度、内能和熵这三个状态函数来完全地加以描述；只要这三个状态函数已知，就可以确定整个系统所有其他的热力学性质.根据热力学第一定律和第二定律相结合所得到的基本方程

(1)

其中T、S和U分别为系统的热力学温度、熵和内能，yi为广义力(诸如压强、表面张力、电场强度、磁场强度等)，而Xi则为广义坐标(诸如体积、表面积、电极化强度、磁化强度等).由此可见，T、S和U之间存在着下列联系

显然，系统的热力学温度究竟为正还是为负，就完全取决于S随U的变化关系：如果S是U的单调增函数，则系统的T值为正；如果S不是U的单调增函数，则在熵随内能的变化率取负值的情况下，系统的T值就可能为负.通常的热力学系统，例如由分子组成的气体，它的熵是内能的单调增函数，故系统的热力学温度恒为正值.因而在理想气体温标中，将T=0定为温标的起点，而将所有其他的温度都定为正值.但是必……