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一文读懂熵的物理含义物理小白进阶请收好

2020-03-05 02:03:05  阅读:7789 作者:责任编辑NO。卢泓钢0469

S=klnW,公式中,S表明熵,k是玻尔兹曼常数,W是微观状况的数目,也有物理学家称W为相空间的体积。不知道有多少小伙伴被扑面而来的这个公式给吓到了,不需求过多的忧虑,下面,咱们用一个简略的方法来了解一下熵这个物理量的意义。

安慰一下咱们的小心脏,做个游戏:

蒙上眼睛,分别把苹果、香蕉、鸭梨共3个生果随机放入到两个盒子里,然后你来猜一下。每个生果能够有两个去向,因而,3个生果顺次放进去,也便是2×2×2=2^3=8,即总共能够有8种组合,所以咱们猜中答案的几率便是1/8。

现在咱们用物理的言语来说一下这个猜生果游戏,8种或许对应的便是8种微观状况,这个8便是公式中的W,这个游戏中的熵的值正比于8的对数,你猜对的或许性是1/8。

升级版游戏:思维试验

取一个立方体的容器,这个容器中装满10^10个同种气体的分子。现在咱们要用一个隔板把这个共识分红体积持平的左右两个部分。这些气体分子相当于游戏中的生果,而用隔板分隔的两个部分相当于那两个盒子。

从计算力学的视点来说,气体分子不或许悉数处于容器的左面,而让右边坚持真空,是因为,这样的一种状况发作的概率实在是太小了。从物理学上说,假如这样的作业发作了,那么容器左面的格子里边的温度要高于右边格子的温度。

咱们咱们能够核算左面箱子有n个分子的微观状况,咱们咱们能够先从10^10个里挑选出n个分子的组合数,这个数的对数,便是有n个气体分子坐落左面格子里的或许性的巨细。

这个散布所对应的熵的巨细是能够核算的,它的数值巨细,可当作判别一些作业是否能够发作的依据。在咱们这个思维试验中,熵的数值在n=5×10^9的时分取到。

从这个思维试验咱们也能看出,熵的数值代表一个体系存在的或许性的巨细,它与这个体系的微观状况的数量的对数成正比。换句话说,便是熵代表了体系的紊乱程度,微观状况的数量越大,紊乱程度越高,熵越大。

S=klnW这个公式是怎样得到的?

开始,熵这个物理量是在热力学第二规律提出的时分引进的,从微分联系,能够把熵的值确认到相差一个恣意的常数,但这个常数不能从热力学榜首规律和第二规律得到,为了确认熵的肯定值,要用到热力学第三规律。

热力学第三规律与榜首、第二规律是在研讨热机作业原理的时分发现的不同,这个规律是能斯特在对各种物质在极低温度下化学反应的性质时分发现的,所以也被称为能斯特规律。

它的内容是:凝集体在等温过程中的熵随温度趋于肯定零度时趋于零。也能够表述为,肯定零度不能到达原理,即不或许用有限的过程使物体冷却至肯定零度。用数学表达即为下图中这个极限表达式。

依据热力学第三规律,熵的公式能够写成下图中的式子

因为熵常数S0是一个肯定常数,与状况无关,1911年,普朗克把能斯特规律又开展一步,把熵常数挑选为零,熵的公式变成下图中的式子。

这样就把熵的数值彻底确认了,不含有任何常数,所以也称为肯定熵。熵函数的确认值需求一个热容量的数据就够了,不用再用物态方程,但积分时要坚持x不变。在肯定零度时,任何物体的熵都变为零(温度趋向于零时要其他某些条件不变,比方体积不变等)是量子计算的定论。

假如体系具有一系列能级E0,E1,E2……,En,在肯定零度时,体系必定处于能量最低的量子态——基态,这时微观态只要一个。

依据量子计算,玻尔兹曼得到了这个联系式:S=KlnW,其间W为微观状况的数目,则S=Kln1=0。W=1意味着基态对错简并的,有很多种体系,如晶格结构、量子气体等都满意这个条件,但并不要求W=1,即便W>>1,但仍满意量子计算中的热力学极限。

结束语

经过前文的剖析咱们咱们能够得到这个定论,熵是物理学家们界说的一个物理量,这个物理量正比于一个体系内微观状况的对数,或许说是某种体系状况呈现的概率。不知道您看完本文,有没有对熵这个物理量的物理意义有了必定的了解呢?

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