chpt.2 熵和温度(4)补充

作为第二章的结尾,我想补充一点关于熵的定义原由的解释;具体一点讲就是,既然熵是对孤立系统所有可获取态的衡量,为何我们不从一开始就直接将系统的简并度(所有可获取态的数目)定义为熵,而是简并度的对数?事实上,使用对数来表示一个庞大的数字不仅简化计算,并且还有其他一些优势:

\bullet对数具有一个特别重要的性质:

\log (ab) = \log(a) + \log(b)a, b \neq 0

现在考虑一个含有两个子系统的合系统,子系统的熵分别为\sigma_1\sigma_2

chpt.2 熵和温度 (2)中我们已经了解过,合系统在任一位形的简并度(重性)等于两个子系统各自简并度的乘积:

g(N,U) = g_1(N_1,U_1)g_2(N_2,U - U_1)

根据熵的定义,我们发现,对数的性质很自然地被使用了

\log g = \log g_1 + \log g_2

所以

\sigma = \sigma_1 + \sigma_2

正是由于对数的性质,熵才具有可加性:合系统的熵等于独立子系统的熵之代数总和。


\bullet熵对孤立系统的能量精度(比如\delta U)完全免疫。根据测不准原理,系统的能量是存在一定偏差值的。但你可以发现,在我写的之前所有内容中,没有一点涉及到了能量的测不准性。原因当然是,能量精度对于N非常大的系统而言,是可以被忽略的。我们当然可以将能量的偏差值给考虑进来,但它对最后结果的影响微乎其微。

定义一个平滑的分布函数\mathscr{D}(U),它表示了每单位能量范围所具有的可获取态个数。如果系统的单位能量偏差为\delta U,那么

g(U) = \mathscr{D}(U)\delta U

并且我们将其中心考虑为坐落于合系统能量U处。

于是,系统的熵可以写成:

\sigma(U) = \log \mathscr{D}(U)\delta U = \log \mathscr{D}(U) + \log \delta U

通常,如果系统有N个自旋,态的总数我们知道等于2^N;总能量则是自旋总数N乘以每一个自旋携带的平均能量\varepsilon。所以,

\mathscr{D}(U) \sim \frac{2^N}{\varepsilon N}

如果我们将其代入系统熵的表达式,可以得到

\sigma(U) = N\log 2 - \log \varepsilon N + \log \delta U

你应该知道对数函数在整个实域的变化。在变量逐渐增大过程中,对数函数值的增长率是在缓慢减小的;最后,当变量趋近无穷,函数值就基本保持定值。对数函数的这一行为决定了上面表达式中的第一项将占据主导地位。尤其是当N 具有阿伏伽德罗常数的数量级时(\sim 10^{23}),后两项基本可以被忽略。

还是不信?

我随便举一组数据:

N = 10^{23}\varepsilon = 10^{-7}\rm{J}\delta U = 10^{-8}\rm{J}

自己带进去算吧……

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