Nhiệt độ hữu hạn là trạng thái nhiệt động lực học của một hệ vật lý ở mức nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối, trong đó các thăng giáng nhiệt tồn tại đồng thời và cạnh tranh với các thăng giáng lượng tử nội tại, đòi hỏi việc áp dụng lý thuyết trường lượng tử nhiệt độ hữu hạn để mô tả các hiện tượng vật lý hạt cơ bản và chất đặc. Khi nhiệt độ khác không, các trạng thái lượng tử của hệ không còn ở trạng thái cơ bản suy biến thuần túy mà phân bố thống kê theo phân phối nhiệt động lực học.
Hiệu suất nhiệt động học và chu trình Carnot
Trong nhiệt động lực học cổ điển, hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng thành công cơ học hữu ích trong chu trình Carnot hoạt động giữa hai nguồn nhiệt độ hữu hạn được giới hạn bởi định luật II nhiệt động lực học:
Trong đó là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nóng cấp nhiệt và là nhiệt độ tuyệt đối của nguồn lạnh nhận nhiệt xả. Biểu thức này khẳng định rằng không một động cơ nhiệt nào có thể đạt hiệu suất một trăm phần trăm trừ khi nguồn xả ở trạng thái không Kelvin tuyệt đối.
Hình thức luận Matsubara và thời gian ảo
Theo chuyên khảo toàn diện năm 2006 của Kapusta và Gale do Nhà xuất bản Đại học Cambridge ấn hành, để tính toán các tính chất nhiệt động của plasma hạt cơ bản hoặc vật chất đặc trong lý thuyết trường lượng tử, hình thức luận thời gian ảo Matsubara được áp dụng:
- Phép quay Wick: Thời gian thực được chuyển đổi sang thời gian ảo tuần hoàn trên đoạn liên tục với chu kỳ nghịch đảo tỷ lệ với nhiệt độ.
- Tần số Matsubara: Các điều kiện biên tuần hoàn cho hạt boson và phản tuần hoàn cho hạt fermion dẫn đến sự rời rạc hóa xung lượng năng lượng thành các tần số nhiệt Matsubara.
- Hàm Green nhiệt: Cho phép tính toán hàm phân bố thống kê, áp suất, mật độ năng lượng và phương trình trạng thái của vật chất ở nhiệt độ và mật độ cao.
Lý thuyết trường nhiệt động và plasma hạt Quark-Gluon
Trong các công trình nền tảng năm 1996 và 1992 của Michel Le Bellac do Đại học Cambridge và Đại học Oxford xuất bản, lý thuyết trường nhiệt động đã cung cấp công cụ toán học để khảo sát trạng thái plasma quark-gluon trong các vụ va chạm ion nặng năng lượng cao và vũ trụ học sơ khai ngay sau vụ nổ Big Bang:
| Miền nhiệt độ | Hiện tượng vật lý chi phối | Ứng dụng nghiên cứu tiêu biểu |
|---|---|---|
| Nhiệt độ thấp (Gần 0 Kelvin) | Thăng giáng lượng tử chi phối hoàn toàn, hiệu ứng ngưng tụ Bose-Einstein | Siêu dẫn nhiệt độ thấp, chất siêu lỏng Heli |
| Nhiệt độ phòng (Hữu hạn vừa phải) | Cân bằng giữa thăng giáng nhiệt và lượng tử | Chất bán dẫn, pin quang điện, vật liệu nhiệt điện |
| Nhiệt độ siêu cao (Hàng triệu độ) | Phá vỡ liên kết hạt nhân, giam hãm quark bị phá vỡ giải phóng plasma | Thí nghiệm máy gia tốc hạt LHC, vật lý thiên văn sao neutron |