Investigação da consistência termodinâmica do conceito de temperaturas negativas

• Autor(a) principal: Inagaki, João Hiroyuki de Melo
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
• Texto Completo: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-27102023-092359/
• topic: Entropia; Entropy; Heat engines; Máquinas térmicas; Mecânica estatística; Negative temperatures; Statistical mechanics; Temperaturas negativas; Termodinâmica; Thermodynamics

O conceito de temperaturas absolutas negativas para sistemas físicos existe há mais de 70 anos. O começo desta investigação se dá inicialmente a partir de sistemas de spins nucleares com estados de população invertida. Na última década, cresceu o interesse em investigar a consistência entre temperaturas negativas e termodinâmica e mecânica estatística usuais, uma vez que uma das implicações de tais temperaturas é a realização de máquinas térmicas com eficiências maiores que de Carnot. Contribuições recentes põem a validade de temperaturas negativas como um problema de definição da expressão fundamental da entropia no ensemble microcanônico. É dito que a entropia termodinamicamente consistente é a entropia de Gibbs, que considera todos os estados de energia em um volume do espaço de fase, ao contrário da entropia de Boltzmann, usualmente utilizada na mecânica estatística. O propósito deste trabalho é fornecer uma visão abrangente sobre o estado atual do conhecimento em relação às temperaturas negativas. Esclarecemos os aspectos teóricos essenciais e as questões em debate, examinando tanto os estudos clássicos sobre o assunto quanto as descobertas mais recentes. Mostramos que máquinas de Carnot com eficiências maiores que 1 não são possíveis, mas que a perspectiva de realização de um reservatório térmico a temperaturas negativas implica a possibilidade de eficiências de Carnot iguais a 1. Avaliamos as controvérsias com relação a consistência termodinâmica das entropias e reivindicamos que não há motivos da entropia de Boltzmann ser inconsistente dentro do escopo da termodinâmica, de sistemas macroscópicos. Ademais, exploramos mecanismos de medição de temperaturas negativas, mostrando que é possível a modelagem de um termômetro atuando sobre poucos graus de liberdade de um sistema de interesse, capaz de medir temperaturas negativas de maneira consistente.