熵与热力学第二定律
微观状态
抛四枚硬币,喊出“两个正面”——这是你从房间那头看到的大画面、总体情况。但“两个正面”可以有六种不同的实现方式:1 号和 2 号是正面,或 1 号和 3 号,依此类推。其中每一种确切到逐枚硬币的排列,都是一个微观状态。你喊出的那个模糊概括(“两个正面”)则是宏观状态。
在热力学里,微观状态是一个系统中所有粒子的一种完整、彻底指定的排列——每个分子的位置和速度,或每一份能量的确切“落脚处”。宏观状态则是你真正能测量的那少数几个整体性质,比如温度、压强和体积。单单一个宏观状态,几乎总是与多到惊人的不同微观状态相容。
它为什么重要:这是连接微观与日常的枢纽。熵本质上就是数“有多少个微观状态共享同一个宏观状态”——安排各部分的方式越多,熵越高,这个宏观状态也越可能出现。诚实的告诫是:微观状态的数目大到天文级(想象一个 10 后面跟着上万亿个零),所以我们从不去一一列举,而是用统计去“数”它们。
把四份能量分给三个原子,共有 15 种不同的分法——15 个微观状态——可从外面看,这团东西只有一个温度。把能量份数或原子数翻一倍,这个数目就会爆炸性增长,这正是为什么温热、拥挤的系统比寒冷、稀疏的系统熵大得多。
许多微观状态,一个宏观状态——熵数的就是那个“许多”。
不要把微观状态和单个粒子的状态混为一谈。一个微观状态同时固定了每一个粒子的状态;它是整个系统的一张快照,而不是某一个分子的。
又称
另见