負温度
負温度(ふおんど、英: negative temperature)とは、統計力学においてボルツマンの原理から定義される温度が負となること、またその際の温度を指す。
平衡熱力学において、温度は平衡状態を特徴づける示強変数として現れる。この温度には下限が存在し(絶対零度)、この下限を零とする適当な温度単位を定義することができる。したがって平衡熱力学の範囲では負温度は現れない。 しかし統計力学における逆温度を平衡熱力学における温度と関連付けることで、逆温度が負となるような系に対して、負の温度を考えることができる。
具体的には、熱力学温度 T {\displaystyle T} 、熱力学ポテンシャルとしてのエントロピー S {\displaystyle S} 、内部エネルギー U {\displaystyle U} の間で成り立つ関係
を援用し、(ボルツマンの原理によって定義される)統計力学的エントロピーと逆温度 β {\displaystyle \beta } についての類似の関係
を経由し(ここで E {\displaystyle E} はエネルギー、 k B {\displaystyle k_{\mathrm {B} }} はボルツマン定数)、逆温度と熱力学温度の関係
が得られる。これは統計力学的な温度を与える。
ある系では統計力学的エントロピーのエネルギーによる偏微分(すなわち逆温度 β {\displaystyle \beta } )が負になることがあり得る。このような系では統計力学的に定義された温度が負の値を取る。