熵的微观意义

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熵的微观意义

热力学虽然具有普适性与可靠性，但也有它的局限性。就第二定律而言，它只能说明自然界中任何宏观系统必遵从这一有关可逆与不可逆性的基本规律。关于熵，它只能作出(5.23)式的定义，要解释熵的物理意义，解释为什么在不可逆绝热过程中熵总是增加的，解释为什么一切与热相联系的一切宏观过程都是不可逆的，需采用统计物理及分子动理论的方法去探讨过程不可逆性的本质及熵的本质。在这里，只能对熵的微观意义，介绍最基本的结论。

(一)熵是系统无序程度大小的度量

我们在这里将引入无序与有序的概念。无序是相对于有序来讲的。无序有两种，一种是静止粒子的空间分布的无序；另一种是运动粒子的无序性。显然，对于热运动来说，热运动越剧烈，即温度越高，就越是无序。而熵的变化与温度有关。相同情况下温度升高，熵增加。利用对称性可以证明，粒子的空间分布越是处处均匀，分散得越开(即粒子数密度越小)的系统越是无序，粒子空间分布越是不均匀、越是集中在某一很小区域内，则越是有序。在相同温度下，气体要比液体无序，液体又要比固体无序。在密闭容器的气体中，若有一部分变为液体，即其中部分分子密集于某一区域呈液体状态，这时无序度变小。其逆过程，液体蒸发为气体，无序度变大。注意：有序并非整齐。气体分子均匀分布于容器中是整齐的，但它却是最无序的。相反，气体分子都集中于容器的某一角落中，这并不整齐，却是较有序的。液体在等温条件下蒸发为气体时要吸收气化热

，这是一个可逆等温过程，熵要增加。

增加到

过程中，

。又如，从理想气体熵的公式(5.29)式知，气体在等温膨胀从

熵增加。。而从有序无序角度来看，在液体气化及气体等温膨胀过程中气体分散到更大体积范围内，显然无序度增加了。这与在该两个过程中熵也增加是一致的。上述例子均说明：熵与微观粒子无序度之间有直接关系。或者说：熵是系统微观粒子无序度大小的度量。而宏观系统的无序是以微观状态数来表示的。通常人们又把微观状态数(number of microscopic states)称为热力学概率(therm odynamical probability)(注意：热力学概率与通常所讲的概率不同，它不是小于1，相反一般都远远大于1)。

(二)玻耳兹曼关系

从单原子理想气体熵的表达式(5.29)知，





该式可改写为

从该式可很明显看出，单原子理想气体的熵可表示为





其中为某一系数。注意到对数内的真数是量，但概率的

的

(5.4 1)



次方。虽然是宏观物理

是微观粒子数。从概率论来理解，处于平衡态的系统，次方。从而可以看出，对数内是整个系统的概率，而

个粒子的概率是单粒子是单粒子的概率。

为某一系数，而、恰正反映了粒子空间分布及热运动的无序性。这是因为V越大越无序，而分子热运动反映为速度空间中粒子分布的无序性。温度越高，粒子的分布散得越开，


因而越是无序。速度空间有子。从以上分析可估计到以有如下关系

、、三个坐标，平均速度与正比，因而有因

就是系统无序度大小，即微观状态数大小。因而可

(5.42)

实际上，这就是玻耳兹曼关系(Boltzmann relation)其导出要借助统计物理学。玻耳兹曼关系定量地证明了，熵是系统微观状态数大小，即系统无序度大小的度量。

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