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玻耳兹曼熵公式

时间:2022-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:事实表明,宏观自然过程总是从热力学概率较小的状态向热力学概率较大的状态变化的。同时也看到,一般情况下的热力学概率Ω是非常大的,为了便于理论处理,1877年玻耳兹曼引入一个状态函数——熵,用S表示,其与热力学概率Ω的关系为从上式可以看出,系统所含微观态数目越多,则其熵越大。

事实表明,宏观自然过程总是从热力学概率较小的状态向热力学概率较大的状态变化的。同时也看到,一般情况下的热力学概率Ω是非常大的,为了便于理论处理,1877年玻耳兹曼引入一个状态函数——熵,用S表示,其与热力学概率Ω的关系为

上式称为玻耳兹曼熵公式,k为玻耳兹曼常数,熵的单位是J/K。

从上式可以看出,系统所含微观态数目越多,则其熵越大。因此,可以将熵S看成是系统无序性大小的量度,这就是熵的微观意义。正是基于这样的理解,才使得人们对熵的认识和应用远远超出了分子运动的领域,在信息、控制、生物、医学乃至社会等许多学科都用到了熵的概念。

从上面的介绍可以看出,Ω由系统的宏观态决定。可见,熵S也是一个由系统宏观态决定的量,即熵是状态函数,其变化只与系统宏观态的变化有关,而与具体过程无关。

在一定条件下,两个子系统分别有热力学概率Ω1和Ω2,对应的状态函数分别为S1、S2,则在同样的条件下,根据概率的性质,整个系统的热力学概率为Ω=Ω1Ω2,所以

也就是说熵具有可加性。若一系统由两个子系统组成,则

由于孤立系统中的不可逆过程(如气体的膨胀)总是向着使Ω增大的方向进行,因此,孤立系统中不可逆过程的熵变总是增加的,即

容易理解,一旦系统达到平衡态,则其相应的Ω便不再增加而达到极大值。所以,系统处于平衡态时的熵最大。

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