Hat ein Quantenphasenübergang latente Wärme?

Wie der Titel schon sagt, denke ich über die Frage nach, ob ein Quantenphasenübergang latente Wärme hat. Wenn dies der Fall ist, können wir das System bei einer Temperatur von 0 durch einen Parameter von der Unordnungsphase in die geordnete Phase treiben, wo die Wärme hingeht, da es bereits eine Temperatur von 0 hat.

Wärme und Temperatur sind nicht dasselbe. ein Phasenübergang erster Ordnung mit endlicher Temperatur hat auch latente Wärme; Die Wärme fließt in die Neukonfiguration der Freiheitsgrade ein, aber die Temperatur ändert sich nicht, wenn mehr Wärme zugeführt wird, bis der Phasenübergang abgeschlossen ist.
Sollte dies nicht vom Quantenphasenübergang abhängen? Es gibt nicht nur eine Art davon. Gibt es einen bestimmten Quantenphasenübergang, an den Sie denken?
Manche tun es, manche nicht. Genau wie klassische Phasenübergänge können Quanteneinsen erster Ordnung (mit latenter Wärme) oder zweiter Ordnung (ohne) sein – oder etwas anderes. Die meisten traditionellen Beispiele, die mir in den Sinn kommen, sind zweiter Ordnung.
Nun, ich denke, die Änderung des externen Parameters, um einen Quantenphasenübergang anzutreiben, wird dem System Wärme hinzufügen. Aber das ist keine latente Wärme. Wenn ich externe Arbeit aufbringe, um den Parameter zu ändern, um einen Grundzustand A in den anderen B zu treiben. Wenn keine Wärme austritt, bedeutet dies, dass B eine höhere Energie hat. Und mit dem gleichen Argument hat A auch eine höhere Energie als B. Hier ist also ein Widerspruch. Es scheint also, dass ein Teil der Arbeit, die zum Ändern des externen Parameters verwendet wird, in Wärme umgewandelt werden muss, dann wird das System erhitzt.

Antworten (1)

Siehe Wikipedia .

Es besagt, dass ein Quantenphasenübergang zweiter Ordnung ist , was bedeutet, dass es keine latente Wärme gibt.

Darüber gibt es offenbar einige Kontroversen. Aus der Zusammenfassung dieses Artikels :

„Es wird häufig argumentiert, dass nur Phasenübergänge zweiter Ordnung bei T = 0 die Bezeichnung Quantenphasenübergänge verdienen, während Quantenphasenübergänge erster Ordnung ein Widerspruch in sich sind.“

Ich werde versuchen, es etwas ausführlicher zu erklären. Aus dem Wikipedia-Artikel: "Im Gegensatz zu klassischen Phasenübergängen können Quantenphasenübergänge nur durch Variieren eines physikalischen Parameters - wie Magnetfeld oder Druck - bei absoluter Nulltemperatur erreicht werden."Nehmen wir an, dass der Parameter, den wir ändern, der Druck ist (das Magnetfeld funktioniert auf die gleiche Weise, aber es ist praktisch, einen bestimmten Namen für diesen Parameter zu haben). Der Quantenphasenübergang findet bei der Temperatur T = 0 statt. Das heißt, bei jedem gegebenen Druck befindet sich das System in seinem niedrigsten Energiezustand. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Energie des Materials bei allen Drücken gleich ist. Wenn wir den Druck variieren, kann sich die Energie ändern. Wenn dies geschieht, erfordert die Änderung des Drucks entweder Arbeit oder entzieht dem System Arbeit. Beispielsweise kann eine Erhöhung des Drucks den Grundzustand des Materials dichter machen; In diesem Fall wird Energie benötigt, um den Druck zu erhöhen, da wir Arbeit leisten, um das Material zu komprimieren.

Der Unterschied zwischen einem Quantenphasenübergang erster Ordnung und einem Quantenphasenübergang zweiter Ordnung besteht darin, ob sich die Steigung der Energie/Druck-Kurve beim Phasenübergang ändert. Betrachten Sie zur Funktionsweise eines Quantenphasenübergangs erster Ordnung ein Material mit zwei verschiedenen Zuständen. Für P < P C , der erste Zustand hat eine niedrigere Energie. Für P > P C , der zweite Zustand hat eine niedrigere Energie. Die Energie/Druck-Kurve für jeden einzelnen Zustand ist jedoch glatt, wenn sie den Übergang durchläuft. Bei P C , dann wechselt das Material idealerweise bei von einem Zustand in den anderen P C . Ich würde vermuten, dass dies bei den meisten Substanzen nur reibungslos geschieht, wenn Sie den Druck auf einen etwas darüber hinausgehenden Punkt ändern P C und an dieser Stelle lange warten.

Latentwärme ist Energie, die Sie während des Phasenübergangs in ein System einbringen müssen. Bei gewöhnlichen Phasenübergängen gibt es einen Entropieunterschied zwischen den beiden Phasen, und die hinzugefügte Energie ist notwendig, weil sich die Entropie des Materials ändert, wenn Sie den Phasenübergang durchlaufen; dies hängt mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusammen . Bei T = 0 gibt es in beiden Phasen keine Entropie. Wenn bei T = 0 zwei Phasen koexistieren können, müssen sie die gleiche Energie haben. Das bedeutet, dass selbst Phasenübergänge erster Ordnung bei T = 0 keine latente Wärme haben können.

Denken wir uns zwei Grundzustände. Wenn ich externe Arbeit aufbringe, um den Parameter zu ändern, um einen Grundzustand A in den anderen B zu treiben. Wenn keine Wärme austritt, bedeutet dies, dass B eine höhere Energie hat. Und mit dem gleichen Argument hat A auch eine höhere Energie als B. Hier ist also ein Widerspruch. Es scheint also, dass ein Teil der Arbeit, die zum Ändern des externen Parameters verwendet wird, in Wärme umgewandelt werden muss, dann wird das System erhitzt.
Aber es scheint nicht dasselbe zu sein wie die latente Wärme. Es gibt nur eine Wärmekapazität, die sich auf den Parameter bezieht, der den QPT antreibt.
Wenn Sie externe Arbeit eingeben, um das System von A nach B zu ändern, dann führt der Wechsel des Systems von B nach A Arbeit aus.
Wenn der Wechsel des Systems von B zu A, wie Sie sagen, funktioniert, dann ist das System nicht stabil. Wenn das System stabil ist, bedeutet dies, dass Änderungen in beide Richtungen Energie kosten.
@Xiao-Qi Sun: Ich habe versucht, Ihre Kommentare in meiner überarbeiteten Antwort anzusprechen. Es kann nicht sein, dass eine Änderung in beide Richtungen Energie kostet, weil Energie gespart wird.
Die Energie bleibt erhalten. Aber wir brauchen immer noch Energie, um den Grundzustand von A nach B und von B nach A zu ändern. Da die Energiekosten nicht einfach die Energiedifferenz der beiden Grundzustände A und B sind. Der Grund dafür, dass sie stabil sind, liegt darin, dass sie sich in einer Energie befinden Minimum. Um sie also durch einen Phasenübergang von einem stabilen Grundzustand A nach B zu bewegen, bewegen wir das System von einem Energieminimum zum anderen. Wir brauchen mindestens die Energie von etwa der Energiebarriere in beide Richtungen.
Oh, jetzt glaube ich, du hast recht. Im kritischen Regime haben Grundzustand A und B fast die gleiche Energie. Quantenfluktuation reicht aus, um das System ohne weitere Energiezufuhr von außen zu verändern. Vielen Dank! @Peter Schor
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