Что значит отрицательное давление

Давление отрицательное

Смотреть что такое «Давление отрицательное» в других словарях:

отрицательное давление — Давление газа меньше давления окружающей среды. [ГОСТ Р 52423 2005] Тематики ингаляц. анестезия, искусств. вентиляц. легких EN negative pressure DE negativer Druck FR pression negativepression subatmosphérique … Справочник технического переводчика

отрицательное давление — neigiamasis slėgmačio slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. negative pressure; underpressure; vacuum gage pressure; vacuum gauge pressure vok. negativer Druck, m; Unterdruck, m rus. вакуумметрическое давление, n; отрицательное… … Fizikos terminų žodynas

отрицательное давление — 4.28 отрицательное давление (negative pressure): Разница давлений в зоне сдерживания и на окружающей территории, когда давление в зоне сдерживания ниже, чем на окружающей территории. Примечание Определение часто неправильно применяют для давления … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Давление почвенной влаги осмотическое — манометрическое отрицательное д., которое необходимо приложить к объему воды, тождественному по составу с почвенным раствором, для того чтобы привести его в равновесие через полупроницаемую мембрану (проницаемую для воды, но непроницаемую для… … Толковый словарь по почвоведению

КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ — КРОВЯНОЕ ДАВЛЕНИЕ, давление, которое кровь производит на стенки кровеносных сосудов (т. н. боковое давление крови) и на тот столб крови, к рый наполняет сосуд (т. н. концевое давление крови). В зависимости от сосуда, в к ром измеряется К. д.… … Большая медицинская энциклопедия

Атмосферное давление — Эксперимент XVII века. Две металлические полусферы, между которыми откачали воздух, не смогли разделить две восьмёрки лошадей, которые одновременно тянули их в разные стороны. Атмосферное давл … Википедия

ВНУТРИСЕРДЕЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ — ВНУТРИСЕРДЕЧНОЕ ДАВЛЕНИЕ, измеряется у животных: при невскрытой грудной клетке при помощи сердечного зонда (Chaveau и Магеу), вводимого через шейный кровеносный сосуд в ту или иную полость сердца (кроме левого предсердия, которое недоступно этому … Большая медицинская энциклопедия

Расклинивающее давление — термодинамический параметр, характеризующий состояние тонкого слоя (плёнки) жидкости или газа в промежутке между поверхностями тел. В условиях равновесия системы Р. д. П = P2 P1, где P2 нормальное давление на плёнку со стороны разделённых … Большая советская энциклопедия

радиационное давление (акустическое радиационное давление), Па: Радиационная сила, — 3.5 радиационное давление (акустическое радиационное давление), Па: Радиационная сила, воздействующая на единичную площадь. Примечание Этот термин широко используется в литературе. Однако, строго говоря, радиационная сила на единицу площади… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

вакуумметрическое давление — neigiamasis slėgmačio slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. negative pressure; underpressure; vacuum gage pressure; vacuum gauge pressure vok. negativer Druck, m; Unterdruck, m rus. вакуумметрическое давление, n; отрицательное… … Fizikos terminų žodynas

Источник

Отрицательное давление

Эффе́кт Ка́зимира (эффект Казимира — Полдера) — эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях.

Содержание

Суть эффекта [ | ]

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па́ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра.

Например, в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями граничные условия для поля флуктуаций по сравнению с вакуумом без тел меняются следующим образом. На определённых резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями) электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных длинах, которых больше, напротив, эти волны подавляются (то есть подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). Происходит это вследствие того, что в пространстве между пластинами могут существовать только стоячие волны, амплитуда которых на пластинах равна нулю. В результате давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Такое состояние вакуума в литературе иногда называется вакуумом Казимира. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.

Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, то есть «откачали всё и ещё чуть-чуть». С этим явлением связан также эффект Шарнхорста.

Аналогия [ | ]

(все эти аналогии не имеют ничего общего с темой статьи)

Явление, схожее с эффектом Казимира, наблюдалось ещё в XVIII веке французскими моряками. Когда два корабля, раскачивающиеся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, но слабого ветра, оказывались на расстоянии примерно 40 метров и менее, то в результате интерференции волн в пространстве между кораблями прекращалось волнение. Спокойное море между кораблями создавало меньшее давление, чем волнующееся с внешних бортов кораблей. В результате возникала сила, стремящаяся столкнуть корабли бортами. В качестве контрмеры руководство по мореплаванию начала 1800-х годов рекомендовало обоим кораблям послать по шлюпке с 10—20 моряками, чтобы растолкать корабли. За счёт такого эффекта (в числе прочих) сегодня в океане образуются мусорные острова.

Также эффект напоминает кинетическую теорию гравитации Лесажа, заключающуюся в сталкивании тел друг с другом под давлением неких гипотетических частиц.

Величина силы Казимира [ | ]

Сила притяжения, действующая на единицу площади F c / A <\displaystyle F_/A> для двух параллельных идеальных зеркальных поверхностей, находящихся в абсолютном вакууме, составляет [6]

Отсюда видно, что сила Казимира крайне мала. Расстояние, на котором она начинает быть сколько-нибудь заметной, составляет порядка нескольких микрометров. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растёт с уменьшением последнего. На расстояниях порядка 10 нм — сотни размеров типичного атома — давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным.

Графен [ | ]

История открытия [ | ]

Хендрик Казимир работал в Philips Research Laboratories в Нидерландах, занимаясь изучением коллоидных растворов — вязких веществ, имеющих в своём составе частички микрометровых размеров. Один из его коллег, Тео Овербек ( Theo Overbeek ), обнаружил, что поведение коллоидных растворов не вполне согласуется с существующей теорией, и попросил Казимира исследовать эту проблему. Вскоре Казимир пришёл к выводу, что отклонения от предсказываемого теорией поведения может быть объяснено, если учитывать влияние флуктуаций вакуума на межмолекулярные взаимодействия. Это и натолкнуло его на вопрос, какое воздействие могут оказать флуктуации вакуума на две параллельные зеркальные поверхности, и привело к знаменитому предсказанию о существовании между последними притягивающей силы.

Экспериментальное обнаружение [ | ]

Когда в 1948 году Казимир сделал своё предсказание, несовершенство существовавших технологий и крайняя слабость самого́ эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов провёл в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришёл к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99 %.

Современные исследования эффекта Казимира [ | ]

Применение [ | ]

В культуре [ | ]

Довольно подробно эффект Казимира описывается в научно-фантастической книге Артура Кларка «Свет иных дней», где он используется для создания двух парных червоточин в пространстве-времени и передачи через них информации.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Отрицательное давление

Отрицательное давление в жидкости реализуется, например, в капиллярах с маленьким внутренним диаметром. [2]

Отрицательное давление впервые получил Донни. Его установка была предельно проста. Использовалась U-образная трубка, одно колено которой запаивалось, а другое подключалось к вакуумному насосу. [3]

Отрицательные давления в жидкости порядка нескольких атмосфер можно осуществить, если тщательно профильтрованную и прокипяченную ртуть поместить в трубку, подобную барометрической, но гораздо более длинную. При осторожном вытягивании трубки из сосуда удается выдвинуть ее запаянный конец над уровнем ртути в сосуде на несколько метров вверх без того, чтобы ртуть оторвалась от запаянного конца трубки. Значительно большие отрицательные давления получают, запаивая р в нагретом состоянии воду, ртуть и другие жидкости, освобожденные от центров конденсации, в толстостенные капилляры. При остывании этих капилляров, жидкость, сжимающаяся значительней стекла, должна была бы занять лишь часть объема капилляра. [4]

Отрицательное давление может проявится при цементировании скважин, на выкидной линии гидравлических насосов, а также при испытании переводников для улучшения показателей бурения, изоляции зон поглощений. Есть основание считать отрицательное давление одним из факторов обусловливающих различные осложения в скважине при спуско-подъемннх операциях. [5]

Отрицательное давление может получиться и в хорошо прокипяченной воде при комнатной температуре. Напротив, у эфира изотермы для легко наблюдаемых температур уже не спускаются ниже оси абсцисс. Поэтому, если в приведенном опыте иметь над ртутью немного эфира, то при этих температурах можно сделать ртутный столб таким длинным, что давление, господствующее в эфире, станет меньше, чем давление насыщенного пара эфира при этой температуре, но не таким длинным, чтобы давление стало отрицательным. [6]

Впервые отрицательное давление ( или гидростатическое растяжение) в жидкости было получено в 1849 г. в опытах Донни. [8]

Абсолютное отрицательное давление 2 атм соответствует 3 отрицательным атмосферам по манометру. [10]

Впервые отрицательное давление ( или гидростатическое растяжение) в жидкости было получено в 1849 г. в опытах Донни. [11]

Эффект отрицательного давления позволяет пользоваться реальными жидкостными системами, тогда как при статическом подходе необходимо соблюдать большую строгость в отношении чистоты жидкостей. Это обстоятельство позволяет создавать и использовать кратковременные отрицательные давления во многих технологических процессах. [12]

Из-за отрицательного давления на обратной стороне цилиндра струя под действием атмосферного давления прижимается к цилиндру, что, как следствие, приводит к практически безотрывному обтеканию. [13]

Источник

Отрицательное давление, отрицательная температура

Перевод

Thermodynamics of Negative Pressures in Liquids

(Термодинамика отрицательных давлений в жидкостях)

Природа использует отрицательное давление наиболее изобретательными и эффективными способами. Тем не менее, частью научного сообщества состояния отрицательного давления по-прежнему считаются невозможными. В настоящей работе мы покажем, что любая конденсированная фаза может существовать в режимах абсолютного отрицательного давления, в то время как для газовых фаз это не так. Мы также демонстрируем, что такие состояния не только просто возможны, но и, несмотря на их метастабильность, во многих случаях наблюдались экспериментально. Более того, уже оказываются определенными физические свойства ряда веществ и растворов, находящихся в растянутой жидкой фазе при абсолютных отрицательных давлениях. Тем не менее, постижение и достижение успеха в эксперименте, вызывающем высокое напряжение в жидкости, оказывается довольно затруднительным. Так, уравнения состояния и компьютерное моделирование являются ключевыми инструментами для изучения метастабильных жидкостей. С помощью простого уравнения состояния мы показываем, как можно добиться режимов: отрицательного давления; максимального внутреннего напряжения, в котором можно удерживать жидкость; и температура, ниже которой жидкость может быть найдена в этом состоянии. Рассмотрены экспериментальные и теоретические работы по жидкостям с отрицательным давлением. Кроме того, демонстрируются сходства и различия между отрицательной температурой и состояниями отрицательного давления. Из-за нетривиального поведения свойств воды, а также ее технологического и научного значения, она была наиболее изученным веществом в метастабильных явлениях. Таким образом, мы будем уделять особое внимание некоторым из богатых особенностей ее метастабильной фазовой диаграммы. Вода относится к классу веществ, которые представляют аномалии плотности. Мы также показываем, как область отрицательного давления фазовой диаграммы оказывается первостепенной в понимании необычного поведения веществ того же класса.

Можно встретить физические величины, ‑ такие как масса, объем, длина, ‑ которые не могут принимать отрицательные значения, в то время как другие могут быть как отрицательными, так и положительными (например, электрический заряд, ускорение и т.д.). Однако в некоторых случаях ситуация не столь ясна. Рассмотрим, например, два интенсивных термодинамических свойства: температуру и давление. Со старших классов школы знают, что существует абсолютная (Кельвиновская) шкала температур, при которой она всегда является положительной величиной. При этом, существуют расширенные исследования, в которых выявлена возможность достижения абсолютных отрицательных температур. Хотя нет явных учений о подобных масштабах давления, представляется вполне «естественным», что давление должно быть положительным. Наиболее часто используемой концепцией давления является молекулярно-кинетическая теория газовой фазы [1]: согласно ей давление создается столкновениями частиц со стенками контейнера, что приводит к данному выводу. Частицы прижимаются к стене и, следовательно, давление, безусловно, положительное. Более того, нулевое давление представляет собой абсолютный вакуум, «большое ничто», за которым ничего не может существовать. Поэтому существует общая и неявная связь между давлением и плотностью. Однако это суждение оказывается не универсальным.

Врачи используют термин «отрицательное давление», когда описывают давление легких. Инженеры и исследователи также часто используют этот термин. Такое отрицательное давление, конечно, относится к атмосферному. В этом смысле можно сказать, что давление всегда положительное, а «отрицательное» давление просто означает такое, которое находится в промежутке от нуля до атмосферного давления.

Это, однако, не наш случай. Мы демонстрируем использование теоретических аргументов и экспериментальных данных, а также показываем, что любая конденсированная (твердая или жидкая) фаза может существовать в режимах абсолютного отрицательного давления, в то время как для газовых фаз это не так. Другими словами, хотя в газовой фазе давление и плотность прямо пропорциональны, в конденсированных фазах эта пропорциональность возникает не обязательно.

Чтобы обсуждать режимы отрицательных давлений в жидкостях (или твердых телах), удобно распространить общее определение давления. В жидкостях и твердых телах давление должно рассматриваться как 3×3-тензор (P), а не как скаляр [2]. В наиболее распространенном случае (газы, гидростатическое давление и т.д.) все диагональные элементы равны (р), а недиагональные (которые описывают механический сдвиг) равны нулю и, следовательно, давление (р) равно 1 /₃×Тr(P), где Tr(P) обозначает след матрицы тензора P:

Та же концепция может быть применена и к жидкостям. Разница заключается в том, что они требуют гораздо большей аккуратности для преуспевания в эксперименте с «растянутой» жидкостью.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В ЖИДКОСТЯХ

Более 300 лет назад (1663) Гюйгенс, Бойль, Папен и другие провели несколько экспериментов во время встречи Королевского общества (Лондон) [3]. Они использовали стеклянные трубки с одним концом, которые были заполнены ртутью сверху. Открытый конец погружали в сосуд с ртутью. Когда трубку поднимали (открытый конец оставался под ртутью), ртутный столб не обрушался. Торричелли выполнял аналогичный эксперимент за три десятилетия до этого. При этом, если в опыте Торричелли с трубкой последняя давала только около 760 мм (27-28 дюймов) высоты вакуумированной с верхней части ртутного столба, Гюйгенс и др. (1663) смогли полностью заполнить трубы высотой около 2 метров (75 дюймов).

Это было сделано без повышения внешнего давления и достигнуто без разрушения ртутной колонны*. Таким образом, они произвели отрицательные давления (называемые механическими напряжениями или напряженными жидкостями) в верхней части ртутной колонны (выше точки А, рис. 1). В настоящее время этот эксперимент можно легко объяснить: адгезия между стеклянной стенкой и жидкостью удерживает ртуть, при условии, что силы притяжения в самой ртути (когезия) также достаточны для поддержания этого отрицательного давления в верхней части колонны. В то время об адгезии и когезии ничего не было известно, поэтому они не представили никаких объяснений эксперимента.

Рис. 1. Эксперименты Торричелли (A) и Гюйгенса (B). Высота h₁ представляет собой высоту жидкой ртутной колонны, которая находится в равновесии с внешним атмосферным давлением и с вакуумом (точнее, с давлением паров ртути при комнатной температуре, p = 0,5 Па). В случае опыта Гюйгенса трубка полностью заполнена жидкостью, и поэтому жидкость находится под механическим напряжением в любой точке выше h₁. Если высота h₂ достаточно велика, верхняя часть колонны находится под отрицательным давлением. Градиент давления в эксперименте Гюйгенса строится в части (C).

* Чтобы объяснить разницу между результатами Гюйгенса и Торричелли, мы должны принять во внимание, что ‑ как показали позднее ‑ любые крошечные пузырьки между жидкостью и стеклом или любые загрязнения могут приводить к падению ртутного столба.

Кроме того, эксперимент «не работал» воспроизводимо должным образом – иногда столбец ртути обрушался до высоты Торричелли (испытывал коллапс).

С тех пор были разработаны несколько методов 8 для создания отрицательных давлений в жидкостях. Достижимое отрицательное давление может составлять даже несколько сотен МПа [4, 23]. Динамические методы, основанные на внезапном вытягивании или ультразвуковом излучении, создают отрицательное давление в течение очень короткого периода времени. Статические методы способны генерировать и удерживать давление в течение более длительных периодов (даже в течение многих дней) [5, 18]. Почти все методы производят анизотропное давление; тензор давления может иметь ненулевые недиагональные элементы, и даже диагональные могут различаться между собой. И это не то же самое, что однородное давление в термодинамике.

Изотропное давление производится методом Бертло, изобретенным М. Бертло в 1850-х годах. Метод основан на термическом сжатии жидкости при ее адгезии к стенкам контейнера. Этот метод не только генерирует действительно изотропное, однородное давление, но оно удерживает его в течение значительного промежутка времени. Метод, объясняемый ниже, показано на рис. 2.

сначала заполнить тонкую трубку холодной жидкостью под вакуумом, а затем запаять ее пламенем. Хотя капилляр почти заполнен, после отпайки останется небольшой пузырек. (А). По мере увеличения температуры пузырек газа становится все меньше и меньше, поскольку тепловое расширение жидкости больше, чем расширение стеклянной трубки. При определенной и хорошо воспроизводимой температуре (так называемая температура заполнения) он исчезает (B). При этой температуре давление будет еще равно равновесному давлению паров. Дальнейшее повышение температуры будет одновременно увеличивать давление вдоль квази-изобары (квази-изохоры? – прим. пер.) в жидкой фазе (С). Эта стадия называется стадией предварительного сжатия. Чем выше положительное давление, тем выше полученное потом отрицательное давление. Это связано с тем, что высокое предварительное сжатие способствует исчезновению захваченных газовых пузырьков в щелях стенок и способствует диффузии растворенных в жидкости газов. Еще более эффективный подход [21, 22] использует много циклов повышения и сброса давления.

Рис. 2: Схематическое представление метода Бертело (подробное описание см. В тексте). (A): при температуре T₁ жидкость находится под давлением насыщенного пара, p_v: p = p_v(T). “Белая” область представляет собой газовую фазу; (B): при более высоких температурах (T_fill) жидкость полностью заполняет контейнер и p = p_v(T_fill). (С): Для еще более высоких температур (T₂) жидкость расширяется по квази-изохоре

.

Стрелки представляют собой давление, оказываемое на стенки. (D): при охлаждении и после прохождения температуры T_fill (например, до температуры T₃ как чистая жидкость).

Измерение отрицательного давления довольно сложно, но не безнадежно. Несколько методов измерения положительного давления могут быть адаптированы к отрицательным давлениям. Например, изготовление трубки Бертло в форме спирали [18] позволяет измерять давление через деформацию этой спирали (как, например, в спиральных манометрах Бурдона) ‑ независимо от того, является ли это давление положительным или отрицательным. Аналогично, тензодатчик, прикрепленный к стенке ячейки [21], может обнаруживать деформацию этой стенки (именно так работают новые электрические манометры для измерения обычного положительного давления) что, таким образом, позволяет рассчитывать отрицательное давление по сигналу электрического напряжения.

Экспериментальные исследования отрицательного давления были особенно важны в двух модельных случаях: при выяснении фазовой диаграммы воды (включая перегретые и переохлаждаемые метастабильные области) и при исследовании возможности индуцирования разделения фаз в растворах (например, системы полистирол/пропионитрил C₂H₅CN) путем их растяжения до отрицательных величин давления. Как и ожидалось, в обоих случаях было показано, что физико-химические свойства изменяются плавно и непрерывно, когда пересекается линия р = 0.

Одна (из возможных) упрощенная фазовая диаграмма для воды может быть изображена на рис. 3. Она основана на вышеупомянутой гипотезе о скоростном состоянии Speedy, которая предсказывает повторный переход спинодали жидкой фазы в область твердого тела. Обратим внимание на существование монотонной кривой максимальной плотности TMD, которая имеет отрицательный наклон; эта кривая заканчивается в точке пересечения со спинодалью вместе с отрицательно наклонной линией сосуществования твердой и жидкой среды, которая меняет наклон (метастабильная жидкая вода становится менее плотной, чем метастабильная твердая вода) при достаточно высоком отрицательном давлении. На линии TMD коэффициент термического расширения a_p равен нулю. При этом a_p положителен для более высоких температур и отрицателен для более низких. Также особый интерес представляет заштрихованная область на этом же рисунке. Это соответствует состоянию, когда система одновременно перегрета и переохлаждена [14]. В качестве суб-тройного состояния [52], его давление ниже, чем при метастабильном продолжении кривой кипения при данной температуре (перегретое состояние), а его температура ниже, чем при метастабильном продолжении кривой плавления при данном давлении (переохлажденное состояние). Таким образом, одновременно неустойчиво относительно твердого тела и газа.

Рис. 3: Примерная p-T фазовая диаграмма воды, включающая метастабильные области. спинодальный сценарий растянутого состояния. Линия M – равновесие «лед I – жидкость». Обратим внимание на предсказанное изменение наклона линии при отрицательных давлениях [20]. SB – линия сублимации (практически совпадает с осью температур при данном масштабе давления). V – линия испарения. TMD – локус температуры максимальной плотности, пересекает в точке, помеченной крестиком линию спинодали S (что далее будет отслежено подробнее). C – критическая точка «жидкость-газ». Пунктирная линия дает качественное представление о поведении жидкости Ван-дер-Ваальса, где спинодаль всегда имеет отрицательный наклон. В области, обозначенной штриховкой, жидкость дважды метастабильна: она одновременно переохлаждена и перегрета.

Экспериментальное наблюдение бинарных систем при отрицательном давлении началось только недавно [38, 39]. p ‑ Τ проекцию жидкофазной диаграммы состояния системы полистирол/пропионитрил можно увидеть на рис. 4. Согласно традиционной точке зрения, эта система имеет две отдельные области (низкую и высокотемпературную), где происходит расслоение жидкости, ‑ и между этими двумя областями существует третья, где система представляет собой однородную жидкость. Расширяя измерения ниже p = 0, мы видим, что двухфазные области вообще не разделены. Это также означает, что можно использовать отрицательное давление, чтобы вызвать разделение фаз в многокомпонентных системах, которые при обычных давлениях были бы полностью смешиваемыми. По этой причине возможны технологического применения отрицательного давления.

(Далее следует текст об отрицательном давлении растительных соков в высоких деревьях. И хотя авторы рассматривают это вопрос критически, я это из перевода вообще убрал. Кому интересно – смотрите оригинал – прим. пер.)

Когда Ландау в своей знаменитой теоретической работе [61] упоминает, что состояния с p S + SK_iX_i +S₀, (7)

(ii) Теория флуктуации определяет только вторую производную энтропийной матрицы,

. (8)

где X_i,k и Y_i,k являются экстенсивными и интенсивными параметрами, которые определяют энтропию в виде:

Новые интенсивные параметры такие:

(10)

где величины, отмеченные звездочками, также удовлетворяют всем критериям, ожидаемым для T и p. Поэтому шкалы температуры и давления не фиксированы.

Термодинамика конструктивного анализа (Callen, Tisza) постулирует свойства энтропии следующим образом:

Существует дифференцируемая функция S экстенсивных переменных со свойством:

S_A(E_A, V_A, N_A) + S_B(E_B, V_B, N_B) p появляется автоматически. Значения K_i имеют физический смысл, поскольку они определяют местоположение максимальной энтропии. Есть два особых состояния в качестве кандидатов на абсолютный максимум. Первый появляется в относительной, а второй – в абсолютной шкале (см. ниже).

, (12)

где П – термодинамическое удаление от равновесия, называемое экстропией [67]. При этом П³0. Нуль достигается для П, если равновесие достигнуто, в противном случае П строго больше нуля.

Таким образом, шкалы температуры и давления будут относительными (т.е., будет дана разница между величинами системы и резервуара). Следовательно, и соответствующее давление и температура могут быть либо отрицательными, либо положительными, что давление и температура системы могут быть либо выше, либо ниже, чем внешнего тела (? – systems in a reservoir).

Абсолютная шкала. Энтропия имеет максимумы при предельных значениях обширных величин. Существуют два «естественных» предела, а именно те, где Х ® 0 и Х ® ¥. Что касается энергии, то

, (13)

. (14)

Уравнения (13) и (14) показывают, что ни Т = ¥, ни р = 0 не могут быть достигнуты (при постоянстве N). Эти утверждения согласуются с тремя постулатами термодинамики (все – утверждения отрицания):

I. Вечного мобильного первого типа не существует.

II. Вечного мобильного второго типа не существует.

III Недостижимость T = 0

IV. Недостижимость Т = ¥

V. Недостижимость p = 0

VI. Недостижимость р = ¥

Что касается шестого утверждения, то можно потребовать (доказать) недоступность р = ¥, хотя это не входит в наши планы. Эти шесть утверждений дают нам полное описание замкнутой системы (из-за существования античастиц высказываний о недоступности нулевой точки химического и электрического потенциала не существует).

Отрицательное давление, отрицательная температура

Температура

Эти постулаты приводят к тому, что системы, удовлетворяющие критерию , не могут существовать при отрицательной температуре. Однако квантовая природа физического мира допускает появление систем с верхним или нижним пределом плотности энергии. В системах с верхней границей E/V теоретическое препятствие к возникновению отрицательной температуры отсутствует. На самом деле в этом верхнем диапазоне E/V имеются хорошо известные системы, такие как лазеры и ядерные спины. В обоих случаях системы с отрицательными температурами являются фактически подсистемами, встроенными в тело положительной температуры. В то время как температура таких подсистем может быть отрицательной, ничего не известно об их давлении, поскольку объем и давление для этих систем не определены.

Давление

Как и при температурах, постулаты I-V дают в качестве следствия то, что системы, которые удовлетворяют критерию (при постоянстве N), не могут достигать отрицательных давлений и, следовательно, газы не могут находиться под давлением, меньшим нуля. Однако, опять же, системы с верхней границей V/N (т.е. те, которые не могут быть расширены до бесконечного объема). В таких случаях термодинамика не запрещает появление отрицательных давлений. Эти системы, представленные либо жидкостями, либо твердыми веществами, могут выдерживать отрицательное или положительное давление, а их температура всегда положительна. Система с одновременными верхними границами для E/V и V/N пока еще не идентифицирована. Поэтому нет известной реальной системы, в которой давление и температура были бы одновременно отрицательными.

Источник