同じ数の黒と白のビーズで満たされた小さな箱があると想像してください。 あなたが最初に箱を手に入れたとき、すべての白いビーズは下の層に配置され、すべての黒いビーズは上にあります。
しかし、振り始めるとすぐに、このきちんとした秩序のある状態は完全に壊れ、すぐに混ざり合います。 ビーズを配置する方法はたくさんあるので、ランダムな振とうプロセスを続けることで、ビーズが元の順序に戻ることはほとんど不可能です。
これについての物理的な説明は、すべての物理学で最も重要な法則の1つである熱力学の第二法則に帰着します。 この法律の詳細を理解するには、ミクロ状態とマクロ状態の基本を学ぶ必要があります。
ミクロ状態とは何ですか？
ミクロ状態は、閉鎖系内のすべての分子のエネルギー分布の1つの可能な配置です。 上記のビーズの例では、マイクロステートが個々の黒と白のビーズすべての正確な位置を教えてくれるので、完全に各ビーズの運動量や運動エネルギーなど、システム全体の状態についても知っていました（動きがあった場合）。
小規模なシステムの場合でも、実際にミクロ状態を指定するには、非常に多くの特定の情報が必要です。 たとえば、9単位のエネルギーが分散された6つの同一粒子の場合、次のようなシステムには26のミクロ状態があります。 同一の粒子（たとえば、粒子が9個のエネルギーを持ち、1個が8個、もう1個が1個、1個が7個、2個が1個 等々）。 識別可能な粒子を含むシステムの場合（したがって、どの特定の粒子がどの特定の場所にあるかが重要です）、この数は2002に増加します。
ただし、システムに関するこのレベルの情報を取得するのは難しいことは明らかです。そのため、物理学者も マクロ状態に依存するか、統計力学などのアプローチを使用して、膨大な情報なしでシステムを記述します 要件。 これらのアプローチは、本質的に多数の分子の振る舞いを「平均化」し、システムをより正確ではない用語で記述しますが、実際の問題に対しても同様に有用な方法です。
ガス分子をコンテナに配置する
あなたが含むガスの容器を持っていると仮定しますN分子、ここでNおそらく非常に大きな数です。 紹介の例のビーズのように、分子の場所は非常にたくさんあります コンテナ内を占めることができ、分子のさまざまなエネルギー状態の数が非常に多い あまりにも。 上記のマイクロステートの定義に基づいて、コンテナ内の可能なマイクロステートの数も非常に多いことは明らかです。
しかし、これらの小さな状態またはマイクロ状態の数はどれくらいですか？ 1〜4ケルビンの温度で1モルのガスの場合、1026,000,000,000,000,000,000 可能なマイクロステート。 この数の大きさは誇張するのは本当に難しいです：比較すると、約10があります80 宇宙全体の原子。 273 K（つまり、摂氏0度）の液体の水には、10個あります。1,991,000,000,000,000,000,000,000 アクセス可能なミクロ状態–このような数字を書き出すには、紙の山が必要になります光年高い。
しかし、これは、ミクロ状態または可能なミクロ状態の観点から状況を見る場合の全体的な問題ではありません。 システムは、あるマイクロステートから別のマイクロステートにランダムにほぼ継続的に自発的に変化し、これらの用語で意味のある説明を作成するという課題を複雑にします。
マクロステートとは何ですか？
マクロ状態は、システムのすべての可能なマイクロ状態のセットです。 ほんの数個でシステム全体を記述できるため、これらはさまざまなミクロ状態よりもはるかに扱いやすいです。 すべての構成要素の総エネルギーと正確な位置を決定する必要はなく、巨視的な量 分子。
あなたが多数を持っている同じ状況のためにNボックス内の分子のマクロ状態は、圧力、温度、体積、システムの総エネルギーなど、比較的単純で測定が容易な量で定義できます。 これは明らかに、個々の分子を調べるよりもはるかに簡単にシステムを特徴付けることができ、この情報を使用してシステムの動作を予測することができます。
有名な仮説もあります–等しいという仮説アプリオリ確率–システムが現在のマクロ状態と一致する任意のミクロ状態にある確率が等しいことを示します。 これは違います厳密に本当ですが、それは多くの状況でうまく機能するのに十分正確であり、特定のマクロ状態が与えられたシステムのミクロ状態の可能性を検討するときに役立つツールになります。
では、ミクロ状態の重要性は何ですか？
特定のシステムのミクロ状態を測定または決定することがどれほど複雑であるかを考えると、なぜミクロ状態が物理学者にとって有用な概念でさえあるのか不思議に思うかもしれません。 ミクロ状態は概念としていくつかの重要な用途がありますが、特に、それらは定義の重要な部分です。エントロピシステムの。
特定のマクロ状態のミクロ状態の総数を呼び出しましょうY. 等温膨張などの熱力学的プロセスによってシステムが変化した場合、Yそれと一緒に変化します。 この変更は、システムに関する情報と、状態の変化がシステムにどの程度影響したかを取得するために使用できます。 熱力学の第二法則は、Yシステム外の何かがそれと相互作用しない限り、変更することができます。
エントロピーと熱力学の第二法則
熱力学の第二法則は、孤立系（閉鎖系とも呼ばれる）の総エントロピーは決して減少せず、実際には時間の経過とともに増加する傾向があると述べています。 これは、特にエントロピーの定義と、何かが「閉じた」または孤立したシステムであるという性質のために、非常に誤解されている物理法則です。
これの最も単純な部分は、何かが閉鎖系であると言うことの意味です。 これは単に、システムが周囲の環境とエネルギーを交換しないことを意味します。したがって、システムは本質的に周囲の宇宙から「隔離」されています。
エントロピーの定義は数学的に最もよく与えられ、エントロピーには記号が与えられますS, Yミクロ状態の数に使用され、kボルツマン定数（k = 1.38 × 10−23 J K−1). エントロピーは次のように定義されます。
S = k \ ln（Y）
これは、エントロピーがシステム内のミクロ状態の数の自然対数に依存することを示しています。そのため、より多くの可能性のあるミクロ状態を持つシステムは、より高いエントロピーを持ちます。 これらの言葉で考えると、法律の意味が理解できます。
導入時のビーズの例では、システムの初期状態（下部に白いビーズの層と黒い層があります） このマクロ状態にはミクロ状態がほとんど存在しないため（たとえば、ビーズが次のように順序付けられている場合）、エントロピーは非常に低くなります。 色）。
対照的に、ビーズが混合された後の状態は、負荷マクロ状態を再現するミクロ状態（つまり、「混合」ビーズ）の数。 これが、エントロピーの概念がしばしば「障害」の尺度と呼ばれる理由ですが、いずれにせよ、閉鎖系ではビーズは増加するエントロピーではありますが、減少することはありません。