같은 수의 흑백 구슬로 채워진 작은 상자가 있다고 상상해보십시오. 처음 상자를 받으면 모든 흰색 구슬이 바닥에 층으로 배열되고 모든 검은 구슬이 상단에 있습니다.
하지만 흔들기 시작하자마자이 깔끔하고 질서있는 상태는 완전히 깨져서 빠르게 섞이게됩니다. 구슬을 배열 할 수있는 특정 방법이 너무나 많기 때문에 임의의 흔들림 과정을 계속하여 원래 순서대로 구슬을 되 돌리는 것은 거의 불가능합니다.
이것에 대한 물리적 설명은 모든 물리학에서 가장 중요한 법칙 중 하나 인 열역학 제 2 법칙으로 귀결됩니다. 이 법칙의 세부 사항을 이해하려면 미시 상태 및 거시 상태의 기본 사항을 배워야합니다.
Microstate는 무엇입니까?
미시 상태는 폐쇄 시스템에서 모든 분자의 에너지 분포에 대한 가능한 배열 중 하나입니다. 위의 비드 예에서 미세 상태는 모든 개별 흑백 비드의 정확한 위치를 알려줍니다.완전히각 비드의 운동량 또는 운동 에너지를 포함하여 전체 시스템의 상태도 알고있었습니다 (운동이있는 경우).
소규모 시스템의 경우에도 실제로 미시 상태를 지정하려면 많은 특정 정보가 필요합니다. 예를 들어, 9 개 단위의 에너지가 그들 사이에 분포 된 6 개의 동일한 입자의 경우 동일한 입자 (예: 입자가 9 개의 에너지를 갖는 하나, 하나는 8 개, 다른 하나는 1 개, 하나는 7 개, 2 개는 1 개) 등등). 구분할 수있는 입자가있는 시스템의 경우 (어떤 특정 입자가 특정 위치에 있는지가 중요 함)이 숫자는 2002 년으로 증가합니다.
하지만 시스템에 대한 이러한 수준의 정보를 얻기가 어렵다는 것은 분명합니다. 그래서 물리학 자들이 거시 상태에 의존하거나 통계 역학과 같은 접근 방식을 사용하여 방대한 정보없이 시스템을 설명합니다. 요구 사항. 이러한 접근 방식은 본질적으로 많은 분자의 거동을 "평균화"하여 시스템을 덜 정확한 용어로 설명하지만 실제 문제에 대한 유용한 방법으로 설명합니다.
용기에 기체 분자 배열
다음을 포함하는 가스 용기가 있다고 가정합니다.엔분자, 여기서엔아마 매우 많은 수입니다. 소개의 예에서 비드처럼 분자 하나에 엄청난 수의 위치가 있습니다. 용기 내부를 차지할 수 있으며 분자에 대한 다양한 에너지 상태의 수가 매우 큽니다. 너무. 위에 주어진 미시 상태의 정의에 따라 용기 내부의 가능한 미시 상태의 수가 너무 많다는 것이 분명해야합니다.
그러나 이러한 작은 상태 또는 미시 상태의 수는 얼마나됩니까? 1 ~ 4 켈빈의 온도에서 1 몰의 가스에 대해26,000,000,000,000,000,000 가능한 미시 상태. 이 숫자의 크기는 과장하기가 정말 어렵습니다.80 전체 우주의 원자. 273K (즉, 섭씨 0도)의 액체 물의 경우 101,991,000,000,000,000,000,000,000 접근 가능한 미시 상태 – 이와 같은 숫자를 쓰려면 종이 더미가 필요합니다.광년높은.
그러나 이것은 미시 상태 또는 가능한 미시 상태의 관점에서 상황을 보는 데있어 전체적인 문제가 아닙니다. 시스템은 한 미시 상태에서 다른 미시 상태로 무작위로 거의 지속적으로 자발적으로 변경되어 이러한 용어로 의미있는 설명을 생성하는 데 어려움을 겪습니다.
Macrostate 란 무엇입니까?
매크로 상태는 시스템의 가능한 모든 마이크로 상태의 집합입니다. 몇 가지만으로 전체 시스템을 설명 할 수 있기 때문에 다른 미시 상태보다 처리하기가 훨씬 쉽습니다. 모든 구성 요소의 총 에너지와 정확한 위치를 결정하는 대신 거시적 양 분자.
많은 수가있는 동일한 상황엔하나의 상자에있는 분자의 수로, 거시 상태는 압력, 온도 및 부피와 같은 비교적 간단하고 측정하기 쉬운 양과 시스템의 총 에너지로 정의 할 수 있습니다. 이것은 개별 분자를 보는 것보다 시스템을 특성화하는 훨씬 더 간단한 방법이며, 여전히이 정보를 사용하여 시스템의 동작을 예측할 수 있습니다.
또한 유명한 가정이 있습니다.선험적으로확률 – 시스템이 현재 매크로 상태와 일치하는 모든 미시 상태에있을 확률이 동일 함을 나타냅니다. 이건 아니야엄격히사실이지만 많은 상황에서 잘 작동 할만큼 정확하며 특정 매크로 상태가 주어진 시스템에 대한 미시 상태의 가능성을 고려할 때 유용한 도구가 될 수 있습니다.
그렇다면 미시 상태의 중요성은 무엇입니까?
주어진 시스템의 미시 상태를 측정하거나 결정하는 것이 얼마나 복잡한 지 고려할 때 미시 상태가 물리학 자에게 유용한 개념 인 이유가 궁금 할 것입니다. 미시 상태는 개념으로서 몇 가지 중요한 용도를 가지고 있으며, 특히 그들은 정의의 핵심 부분입니다.엔트로피시스템의.
주어진 매크로 상태에 대한 총 미시 상태 수를와이. 시스템이 열역학적 과정 (예: 등온 팽창과 같은)으로 인해 변경 될 때와이그와 함께 변경됩니다. 이 변경은 시스템에 대한 정보와 상태 변경이 시스템에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 정보를 얻는 데 사용할 수 있습니다. 열역학 제 2 법칙은와이시스템 외부의 무언가가 상호 작용하지 않는 한 변경 될 수 있습니다.
엔트로피와 열역학 제 2 법칙
열역학의 두 번째 법칙은 고립 된 시스템 (폐쇄 시스템이라고도 함)의 총 엔트로피가 결코 감소하지 않으며 실제로 시간이 지남에 따라 증가하는 경향이 있다고 말합니다. 그러나 이것은 특히 엔트로피의 정의와 "폐쇄 된"또는 고립 된 시스템의 본질 때문에 많이 오해 된 물리학 법칙입니다.
이것의 가장 간단한 부분은 어떤 것이 폐쇄 된 시스템이라고 말하는 것입니다. 이것은 단순히 시스템이 주변 환경과 에너지를 교환하지 않기 때문에 본질적으로 주변 우주로부터 "격리"된다는 것을 의미합니다.
엔트로피의 정의는 수학적으로 가장 잘 주어지며 엔트로피에 기호가 주어집니다.에스, 와이미시 상태의 수에 사용되며케이볼츠만 상수 (케이 = 1.38 × 10−23 J K−1). 엔트로피는 다음과 같이 정의됩니다.
S = k \ ln (Y)
이것은 엔트로피가 시스템의 미시 상태 수의 자연 로그에 의존하고 있으므로 가능한 미시 상태가 더 많은 시스템의 엔트로피가 더 높다는 것을 알려줍니다. 이러한 용어로 생각하면 법이 의미하는 바를 이해할 수 있습니다.
도입부의 비드 예에서 시스템의 초기 상태 (하단에 검은 색 레이어가있는 흰색 비드 레이어) 맨 위에있는 것)은 매우 낮은 엔트로피입니다. 색깔).
반대로 비드가 혼합되었을 때의 상태는 더 높은 엔트로피에 해당합니다.잔뜩거시 상태를 재현 할 수있는 미시 상태 (즉, "혼합 된"구슬). 이것이 엔트로피의 개념이 종종 "무질서"의 척도라고 부르는 이유입니다. 그러나 어떤 경우에도 닫힌 시스템에서는 구슬이증가하다엔트로피에서 그러나 결코 감소하지 않습니다.