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气体分子箱子的状态如何?探索多云的宇宙

时间:2023-11-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:更为物理学的说法是10种粒子的系。物理学中出现的“系”,我们将其视作多种物体的集合体即可。硬币只可能有正反两种状态,但充满箱子的粒子的状态又如何呢?这两张照片反应了不同的状态。在箱子中放入10种粒子,其状态数量恐怕能达到10300个。而仅仅放10个粒子进箱子,箱内的熵就能达到10300(的对数)这么庞大的量。图2-4放入气体分子的箱中的熵

气体分子箱子的状态如何?探索多云的宇宙

以箱子里的硬币为例虽然便于说明,但不太像物理学问题。因此接下来再以往1立方米的箱子里放入10种气体举例。更为物理学的说法是10种粒子的系。物理学中出现的“系”,我们将其视作多种物体的集合体即可。

硬币只可能有正反两种状态,但充满箱子的粒子的状态又如何呢?我们该如何对其计数呢?

为了弄清状态的数量,我们试着为箱子里的粒子拍摄照片。当然所用的并不会是普通相机,而是假设能记录所有粒子的位置与速度的相机。用这种超级相机拍摄箱子内部就能捕捉到四处飞散的粒子图像。

连续拍摄两张后,得到了粒子位置与速度不同的照片。这两张照片反应了不同的状态。如果拍摄几百或几千张次,就能得到几百或几千张不同的照片。

不,实际上状态远比几千张更多。究竟有多少呢?如果能弄清这一点,就能得到10种粒子的熵。(www.xing528.com)

在箱子中放入10种粒子,其状态数量(在室温下)恐怕能达到10300个。以普通数字来表示的话,像1000000……这样,在1的后面需要300个零。

10300是极其庞大的数字。即使超级相机每一秒拍摄一次,从宇宙初始至今也只能拍摄1017张照片,远远达不到10300。即使将整个宇宙可观测的范围都放入这个箱子里,并且从宇宙初始开始拍照,总量也不过10100张。

10300就是如此庞大的数字。而仅仅放10个粒子进箱子,箱内的熵就能达到10300(的对数)这么庞大的量(图2-4)。

图2-4 放入气体分子的箱中的熵

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