熵與熱力學第二定律
微觀狀態
拋四枚硬幣,喊出「兩個正面」——這是你從房間那頭看到的大畫面、總體情況。但「兩個正面」可以有六種不同的實現方式:1 號和 2 號是正面,或 1 號和 3 號,依此類推。其中每一種確切到逐枚硬幣的排列,都是一個微觀狀態。你喊出的那個模糊概括(「兩個正面」)則是宏觀狀態。
在熱力學裡,微觀狀態是一個系統中所有粒子的一種完整、徹底指定的排列——每個分子的位置和速度,或每一份能量的確切「落腳處」。宏觀狀態則是你真正能測量的那少數幾個整體性質,比如溫度、壓強和體積。單單一個宏觀狀態,幾乎總是與多到驚人的不同微觀狀態相容。
它為什麼重要:這是連接微觀與日常的樞紐。熵本質上就是數「有多少個微觀狀態共享同一個宏觀狀態」——安排各部分的方式越多,熵越高,這個宏觀狀態也越可能出現。誠實的告誡是:微觀狀態的數目大到天文級(想像一個 10 後面跟著上萬億個零),所以我們從不去一一列舉,而是用統計去「數」它們。
把四份能量分給三個原子,共有 15 種不同的分法——15 個微觀狀態——可從外面看,這團東西只有一個溫度。把能量份數或原子數翻一倍,這個數目就會爆炸性增長,這正是為什麼溫熱、擁擠的系統比寒冷、稀疏的系統熵大得多。
許多微觀狀態,一個宏觀狀態——熵數的就是那個「許多」。
不要把微觀狀態和單個粒子的狀態混為一談。一個微觀狀態同時固定了每一個粒子的狀態;它是整個系統的一張快照,而不是某一個分子的。
又稱
另見