“其中C是与V和T无关的常数。”张朝阳说,“从这里可以明显看出,理想气体的熵与积分路径无关,只是状态的函数,这也再次验证了之前推导的结论。”
(张朝阳推导理想气体熵公式的过程)
张朝阳还举例说明了熵增原理。他说,将温度为T1的高温系统1与温度为T2的低温系统2相互接触,假设系统1与系统2之间的热传导非常缓慢,从而使两个系统各自近似处于热平衡态,这样对它们仍然可以使用前述形式的熵的定义式。
根据热力学第二定律的克劳修斯表述,低温系统不能把热量自发地转移给高温系统,高温系统1损失热量且熵减少量为 S1=∫ Q1/T1。由于能量守恒,低温系统2得到热量 Q2= Q1,它的熵增量为 S2=∫ Q2/T2=∫ Q1/T2。但由于达到平衡之前,高温系统T1总是比低温系统T2温度高,即T1>T2,故而∫ Q1/T1<∫ Q1/T2,也就是说,高温系统减少的熵,与低温系统增加的熵相比,数值上要少一些,即 S1< S2。两系统总体的熵的变化为 S= S2- S1>0,说明总体的熵是增加的。
张朝阳补充说,不仅限于高温物体向低温物体的导热过程,实际上,对于孤立体系,自然界所有的宏观过程总是往熵增加的方向进行的。有的时候虽然系统的某一部分看起来熵减小了,但若把所有部分加起来看,熵总是增加的。他还指出,或许时间的单向性正是熵增原理的一种体现。
“今天经过更详细、更严格的推导,我们进一步熟悉了热力学第二定律的几种表述,并论证了它们的等效性。我们找到了熵这一状态函数,并以理想气体的熵作为实例进行分析。尤其是气体的自由膨胀过程,非常好地说明了熵是什么、熵在统计学上如何计算、具有怎样的意义。”
直播结尾,他告诉网友,“要做一个熵减少的人。”张朝阳从另一个角度阐述了熵的概念,“这样可以变得越来越有序、越来越有规则,成为一个上进的、努力的、不断创造价值的人。”
搜狐视频打造知识直播平台
截至目前,《张朝阳的物理课》已直播三十多期。张朝阳先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律与能量动量守恒;讲解机械振动与波动方程并计算空气中的声速,顺便讨论与此相关的理想气体状态方程和能量均分定理。尔后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,包括由黑体辐射研究引出的维恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式;由电磁学和时空性质引发的相对论议题,如洛伦兹变换、尺缩钟慢、质能关系、粒子衰变等。
此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程、算符对易关系、不确定性原理等理论内容,到无限深势阱、氢原子波函数、原子能级与简并等基础模型,再到谐振子量子化、分子振转光谱、自由度的冻结、气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融,研究对象由小到大、由少到多,从单电子原子到多电子原子、多原子分子,再到由众多粒子组成的宏观物质,实际上已经逐渐进入到统计物理学领域。接下来的玻尔兹曼分布、麦克斯韦速度分布律等,也就顺势引入,顺理成章。
从三十多期的物理课可以看出,《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜——通过观察日常生活现象、用网友比较熟悉的话题来提升兴趣,再以公式推导的方式解释其背后的物理原理,“透过现象看本质”,进而反过来解决生活中的类似问题。
张朝阳认为研究自然界是特别有意思的事情,他希望物理课的受众能保有好奇心,“在好奇心驱使下,了解自然界的奥秘,了解我们在这个世界生存的道理”。该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。同时,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看往期完整视频回放。
除《张朝阳的物理课》外,搜狐视频也邀请各专业领域头部播主入驻,直播科普知识,传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了“奇趣的科学实验”,走进“光的波粒二象性”;康奈尔大学物理化学博士包坤,化身“包大人玩科学”,教普通人看懂2021年诺贝尔奖;还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”,理论物理博士周思益也开通“弦论世界”直播课等。未来还将有更多知识播主入驻,一起互动玩转科学。
来源:中国青年网