Acabei de descobrir que uma capacidade térmica específica negativa é possível. Mas Tenho tentado encontrar uma explicação para isso sem sucesso.
A capacidade de calor negativa significaria que, quando um sistema perde energia, sua temperatura aumenta . Como isso é possível no caso de uma estrela? Não deve haver uma fonte de energia para aumentar a temperatura de qualquer sistema?
Resposta
Considere um satélite em órbita ao redor da Terra e movendo-se a alguma velocidade $ v $. A velocidade orbital está relacionada à distância do centro da Terra, $ r $, por:
$$ v = \ sqrt {\ frac {GM} {r}} $$
Se tirarmos energia do satélite, ele desce para uma órbita inferior, então $ r $ diminui e, portanto, sua velocidade orbital $ v $ aumenta. Da mesma forma, se adicionarmos energia ao satélite, ele sobe para uma órbita superior e $ v $ diminui.
Este é o princípio por trás da capacidade de calor negativa das estrelas. Substitua o satélite por um átomo de hidrogênio e substitua a Terra por uma grande bola de átomos de hidrogênio. Se você retirar energia então, os átomos de hidrogênio descem para órbitas inferiores e sua velocidade aumenta. Como podemos relacionar a velocidade à temperatura usando a distribuição de Maxwell-Boltzmann, isso significa que, conforme retiramos a energia, a temperatura aumenta e, portanto, o calor específico deve ser negativo.
Isso tudo é um pouco uma trapaça, é claro, porque você está ignorando a energia potencial. A energia total do sistema diminui à medida que você retira energia, mas a diminuição é realizada diminuindo a energia potencial e aumentando a energia cinética. O teorema do virial nos diz que a diminuição da energia potencial é duas vezes maior que o aumento da energia cinética, então a variação líquida é negativa.
Resposta
Embora a resposta de John seja bastante abrangente, gostaria de acrescentar esta resposta a fim de reforçar minha compreensão qualitativa do assunto e tentar fornecer ao OP uma explicação mais intuitiva e qualitativa para o negativo capacidade de calor específica, pois o OP parece estar procurando por um tipo de explicação mais qualitativa (e intuitiva).
Para objetos usuais como rochas e estrelas, a temperatura é uma medida direta da energia cinética interna do objeto – isto é, a energia cinética de seus constituintes. Agora, se – a configuração de tal objeto for de tal natureza que sempre que a energia cinética interna aumentar (diminuir), a estrutura do objeto tem que mudar de uma maneira que faça sua redução de energia potencial (aumento) em uma quantidade maior do que o incr facilidade (diminuição) em sua energia cinética interna – então, claramente, a capacidade de calor específica será negativa!
Para buracos negros, a história é um pouco diferente. Não estudei o trabalho que determina a temperatura de Hawking usando os microestados teóricos das cordas de um buraco negro e, portanto, acredito que não posso realmente fornecer uma explicação ou um raciocínio mais profundo por trás da capacidade de calor específico negativo dos buracos negros – mas eu irei elucidar o mecanismo de derivação da capacidade térmica específica de um buraco negro e que mostra claramente que deve ser negativo.
A temperatura de um buraco negro é dada por $ T = \ dfrac {\ hbar c ^ 3} {8 \ pi GM} $. A energia de um buraco negro deve ser considerada como $ E = Mc ^ 2 $. Portanto, $ dE = – \ dfrac {\ hbar c ^ 5} {8 \ pi G T ^ 2} dT $. Assim, capacidade de calor específico $ C = \ dfrac {1} {M} \ dfrac {dE} {dT} = – \ dfrac {\ hbar c ^ 5} {8 \ pi GM T ^ 2} $. De forma qualitativa, também se pode pensar que, uma vez que a temperatura de um buraco negro tende a diminuir com o aumento de sua área (quanto maior o buraco negro, mais frio ele é) e a área tende a aumentar com o aumento de sua área massa (energia), a capacidade de calor específica do buraco negro tem que ser negativa.
Resposta
Para estrelas (que têm grande quantidade de massa e densidade), a gravidade é considerada responsável pelo aumento do calor . porque calor e volume (portanto densidade) e, conseqüentemente, gravitação de uma estrela (massiva), estão relacionados.
Este é exatamente um dos fatores que tornam a fusão nuclear (em estrelas) possível . Os dois efeitos termodinâmica (e energia cinética) e gravidade estão relacionados em um ciclo de feedback negativo (implicando em estabilidade dinâmica )
Resposta
quando damos calor a o sistema aumenta a temperatura, mas quando o sistema se expande, a temperatura diminui. se a expansão é de tal forma que a diminuição da temperatura é maior do que o aumento da temperatura devido ao calor fornecido. então a temperatura diminui mesmo após receber calor, portanto, nesta condição, o calor específico pode ser negativo