你的化学怎样?熵,这个神奇的东西,现在首次

 新闻资讯     |      2020-03-27

从19世纪末开始,物理学家就知道能量从一个物体转移到另一个物体与熵有关。人们很快认识到,这个量具有根本性的重要性,于是它开始作为物理、化学和工程学中有用的理论量而兴盛起来,然而,它往往却很难衡量。基尔大学(CAU)的Dietmar Block教授和Frank Wieben教授现在在著名的科学期刊《物理评论快报》上发表了他们的新研究:现在已经成功地测量了复杂等离子体中的熵。

在这种电离气体中的带电微粒系统中,研究人员能够同时测量粒子的所有位置和速度。通过这种方式,能够确定熵,正如物理学家路德维希·博尔兹曼(Ludwig Boltzmann)在1880年左右已经在理论上描述的那样,等离子体中令人惊讶的热力学平衡。通过实验,科学家能够证明:在复杂等离子体的重要模型系统中,热力学基本原理都得到了满足。令人惊讶的是,这适用于远离热力学平衡等离子体中的微粒。

在实验中,能够通过激光束调整微粒的热运动。使用视频显微镜,可以实时观察粒子的动态行为,并从收集的信息中确定熵。因此,该研究为未来强耦合系统热力学的基础研究奠定了基础。中国科学院实验与应用物理研究所的Dietmar Block教授说:这些研究也适用于其他系统,这一成功的原因在很大程度上要归功于结果和诊断技术。一项日常实验说明了熵:如果你把一容器热水倒入一容器冷水中,混合物比热水冷,比冷水热。

但是,你不能撤销这个过程,因为它是不可逆的:中温的水不能分成一个装热水的容器中和一个装冷水的容器中。这个过程不可逆的原因是熵,热力学第二定律指出,封闭系统中的熵永远不会随着时间的推移而减小。因此,冷热水的混合必须增加熵。或者,熵也可以与无序程度或随机性相关。用高度简化的术语来说,你可以说系统本身不会改变成更有序的状态。

如果有人必须创造秩序,但混乱可能会自行产生。在二维等离子体晶体实验中,测量了在不同温度下,在两个态之间转移的体系的熵变化。单组分,特别是双组分的尘埃团被限制在等离子体鞘中,并利用激光操纵加热到不同的温度。研究发现,从相空间得到的熵,对于热容的结果是一致的,即热容与杜龙-珀蒂特定律符合得很好,研究还讨论了有限尺寸复杂等离子体热力学基本原理的正确性。