今天讲按时间顺序排列十二大物理学公式之四,波尔兹曼方程。
波尔兹曼公式,也就是关于熵究竟是什么的微观意义,写成这样,S=klogW,S是熵,k是玻尔兹曼常数,log是取对数的意思,W是微观态数。
熵是代表系统混乱程度的物理量,你的房间很乱,这里的乱是人的主观感觉。
那么物理上如何定义乱呢?就是微观态数的多少。
打比方说我给你两个杯子,一颗绿豆。问,绿豆有几种摆放方式?
那当然是两种,要么放在杯子A里,
要么放在杯子B里。
如果两个绿豆,就有三种摆放方式,一个在A一个在B,两个都在A,两个都在B。
三个绿豆,四个绿豆,N个绿豆,摆放的方式就越发的多。并且杯子的数量越多,摆放的方式也就越多。有多少种摆放方式,就有多少微观态数。
现在来看一堆气体,里面有多少个气体分子,就好比有多少个绿豆,气体分子可以处在不同的能量状态。有多少个可能的能量状态,就好比有多少个杯子,那自然温度越高,就代表分子能去到的能量就越高。所以温度越高熵就越高,是因为微观态数越多,粒子数越多熵也越高,也是因为微观态数越多。
通过波尔兹曼方程,再加上熵增原理,也就是热力学第二定律,说的是一个封闭系统的熵,永远无法自发地减小。波尔兹曼方程加上熵增定律,就能推出所有先前的关于热力学的经验公式,什么克拉伯龙方程,麦克斯韦分布,都统统不在话下。
并且波尔兹曼方程开启了统计力学的大门,后世的所有研究多粒子系统的学问,都会把波尔兹曼理论当成起点,它描绘了多粒子系统的最根本的性质。玻尔兹曼刚提出这个理论的时候,根本不被学术圈接受,为此玻尔兹曼还得了抑郁症,非常崩溃。后来才被广泛接受,奉为至高真理。
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