Température négative

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher

Une température négative en thermodynamique est une température exprimée par un nombre négatif de Kelvin. Le signe moins apparaît lorsque la définition de la température utilisée dans la thermodynamique moderne est appliquée à certains états quantiques très particuliers, dont l'entropie diminue à mesure qu'on leur ajoute de l'énergie. Ces valeurs négatives ne sont pas à considérer comme étant « plus froides » que les températures positives et elles ne signifient pas que la température est passée à un moment quelconque par le zéro absolu. « Ce dernier restant impossible à atteindre »[1]. Pour passer d'une température positive à une température négative, le système passe en fait par des températures infinies, d'abord positives puis négatives[2].

Lorsque l'on se réfère familièrement à des températures exprimées par des nombres négatifs sur les échelles de Celsius et Fahrenheit, celles-ci représentent des valeurs plus froides que le zéro de ces mêmes échelles mais sont néanmoins plus chaudes que le zéro absolu. En revanche, un système dont la température est réellement négative dans l'absolu sur l'échelle de Kelvin est plus chaud qu'un autre système dont la température est, elle, positive. Si un système à température négative entre en contact avec un système à température positive, la chaleur se propage depuis le système à température négative vers celui à température positive.

Qu'un système ayant une température négative soit plus chaud qu'un autre dont la température est positive est paradoxal si l'on considère la température absolue comme étant l'énergie interne moyenne du système. Ce paradoxe provient du calcul de la température au moyen de sa définition la plus rigoureuse : le compromis entre énergie et entropie, avec la température inverse (bêta thermodynamique) comme quantité plus fondamentale. Les systèmes dont la température est positive voient leur entropie augmenter quand on leur ajoute de l'énergie. À l'inverse, les systèmes dont la température est négative voient leur entropie diminuer quand on leur ajoute de l'énergie.

La plupart des systèmes que l'on connait ne peuvent pas acquérir de température négative puisque leur entropie augmente toujours lorsqu'on leur ajoute de l'énergie. Toutefois, certains systèmes quantiques ne peuvent pas acquérir plus d'une certaine quantité d'énergie et, à mesure qu'ils s'approchent de ce maximum, voient leur entropie diminuer [3],[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10]. Il faut que le système "sature" en entropie afin de parvenir à la faire diminuer en augmentant l'énergie, tout en ayant un faible nombre d'états de haute énergie. Ces types de systèmes, limités par une quantité maximum d'énergie, sont généralement considérés comme interdits. Par conséquent, la température négative est un phénomène strictement quantique.

Une publication de 2013[11] met en doute l'existence de ces températures négatives en remettant en question la façon dont sont décomptés les états du système afin d'en calculer l'entropie.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Roger Balian. Vrai ou faux, une température absolue peut-elle être négative ? In Pour la Science, mars 2013, n°425, p. 19.
  2. http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-temperatures-negatives-plus-chaudes-infini-atomes-ultrafroids-43946/
  3. (en) Norman Ramsey, « Thermodynamics and Statistical Mechanics at Negative Absolute Temperatures », Physical Review, vol. 103, no 1,‎ 1956-07-01, p. 20–28 (DOI 10.1103/PhysRev.103.20, Bibcode 1956PhRv..103...20R, lire en ligne)
  4. (en) André-Marie Tremblay, « Comment on: Negative Kelvin temperatures: some anomalies and a speculation », American Journal of Physics, vol. 44, no 10,‎ 1975-11-18, p. 994–995 (DOI 10.1119/1.10248, Bibcode 1976AmJPh..44..994T, lire en ligne)
  5. Peter W. Atkins, The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction, Oxford University Press,‎ 2010-03-25, 10–14 p. (ISBN 9780199572199, OCLC 467748903, lire en ligne)
  6. Peter W. Atkins, The Laws of Thermodynamics: A Very Short Introduction, Oxford University Press,‎ 2010-03-25, 89–95 p. (ISBN 9780199572199, OCLC 467748903, lire en ligne)
  7. (en) E. M. Purcell et R. V. Pound, « A Nuclear Spin System at Negative Temperature », Physical Review, vol. 81, no 2,‎ 1951-01-15, p. 279–280 (DOI 10.1103/PhysRev.81.279, Bibcode 1951PhRv...81..279P, lire en ligne)
  8. (en) Peter Varga, « Minimax games, spin glasses, and the polynomial-time hierarchy of complexity classes », Physical Review E, vol. 57, no 6,‎ 1998, p. 6487–6492 (DOI 10.1103/PhysRevE.57.6487, Bibcode 1998PhRvE..57.6487V, arXiv abs/cond-mat/9604030)
  9. (en) Norman F. Ramsey, Spectroscopy with coherent radiation: selected papers of Norman F. Ramsey with commentary, Singapore; River Edge, N.J., World Scientific,‎ 1998, 417 p. (ISBN 9789810232504, OCLC 38753008)
  10. « Positive and negative picokelvin temperatures »
  11. http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-temperatures-thermodynamiques-negatives-nexisteraient-pas-51273/

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]