到底什麼是「熵」?----熵的概念辨析(5)

2021-02-18 物理化學學習

到底什麼是「熵」?

 以前的介紹:

熵的世界你不懂?----熵的概念辨析(1)

熵(傷)腦筋?----熵的概念辨析(2)

熵與生命體---熵的概念辨析(3)

熵與宇宙----熵的概念辨析(4)

熱力學第二定律介紹時,提出了熵的概念。那麼到底什麼是熵?

熵的定義式是:

可逆過程時,dS=δQ/T, 

也就是可逆過程中的熱溫商就是熵變。

但是僅僅從這個定義式不足以理解熵的概念。

 

一般說,熵代表的是系統的混亂度,熵是系統混亂度的一種量度。

 

為了更好的讓大家理解熵的概念。我們再具體介紹如下。我們從一個具體的例子開始。

 

假設我們現在有4個氣體分子1、2、3、4,我們將這四個放在一個盒子裡面;盒子中間有一個格擋,將盒子分成了左右兩半。那們我們將4個分子放到盒子中會有這麼幾種方法。(分子放進去的過程,近似的相當於分子的無規則的熱運動一樣)如下圖所示。

第1種,4個分子都放在了盒子的左側。這种放法是C44,即1種方法。具體放法如圖所示。

 第2種,左側放3個分子,右側放1個分子。那麼存在C43種,即4種的放法。具體放法如圖所示。

第3種,左右兩側各放2個分子。那麼存在C42種,即6種方法。具體放法如圖所示。

第4種,左側放1個分子,右側3個分子。那麼存在C41種,即4種方法。具體放法如圖所示。

第5種,左側放0個分子,右側4個分子。那麼存在C40種,即1種方法。具體放法如圖所示。

我們將這幾種具體可能性的放法,稱之為微觀狀態數(用Ω表示)。對應的看到的左右側幾個分子的情形,我們稱之為宏觀狀態。

 

這樣的話,我們可以看到,我們肉眼看到的宏觀狀態中左右各出現2個分子(即,氣體分子均勻的出現在容器各處)的概率最大,為6/16。而氣體分子完全集中在左側(即,氣體分子只出現在容器中一側)的概率為1/16,概率非常小。

隨著分子的數目增加,那麼分子均勻分布的概率越來越大,我們肉眼宏觀看到可能性逐漸變成分子均勻分子在容器各處的越來越大,基本上不會看到其他的可能性。


例如,我們發現,房子裡不可能出現,房子裡的空氣都會自己集中在房子裡的一側,而另一側沒有空氣;實際現實是空氣在房間裡分布的很均勻,因為這種分布從微觀上來說,對應的微觀態最多,他的概率最大。

 

大量質點構成的系統,只有從可能性較小的狀態向可能性較大的方向進行才是自發的。或者說是:自發變化總是向熱力學概率大的方向進行。

 

微觀狀態多的系統,我們認為他的混亂度大。

 

玻爾茲曼發現了這個現象,並指出了熱力學第二定律的本質:

一切不可逆過程皆是系統由概率小的狀態到概率大的狀態,並且,熵和熱力學概率之間存在函數關係:

S=klnΩ

k為玻爾茲曼常數,Ω是微觀狀態數。

 

(玻爾茲曼的墓碑,圖片源於百度圖片搜索)

自然界的發展方向就是熵增加的過程(孤立系統的熵永不減小,即熵增原理),也就是向微觀狀態數多(概率大)的方向進行。

 

例如,我們拿一摞疊放整齊的紙,鬆開手,這一摞紙自動的落到地面,一般都會散開一地,而落下去後仍然整整齊齊疊放的可能性非常非常的小(而現實中也沒出現過)。所以,他會自發的向混亂度增加的方向進行,即熵增加的方向進行。

 

熱力學第二定律的本質:

在隔離系統中,由比較有秩序的狀態向比較無秩序的狀態變化,是自發變化的方向。

參考文獻:

物理化學,南京大學化學化工學院,高等教育出版社,第五版。

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