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前者的表述更直接,后者的推导更严格。
她把两本书都借了出来,回到阅览室,继续啃。
Kittel对负温度的处理比较简略,只用了三页,但关键的那一步推导写得很清楚——他把配分函数在粒子数反转条件下的行为分析了一遍,证明了负温度下系统的熵确实随能量增加而减小,但这种减小是有上限的——当系统达到最大能量时,熵回到最小值,此时1T从负无穷跳到正无穷,完成了从负温到正温的过渡。
沈梦溪在草稿纸上画了一张图——S关于U的曲线。
曲线呈钟形,先升后降,峰值处1T=0,对应"
正负无穷大温度"
。
峰值左侧是正温区,右侧是负温区。
她看着那张图,忽然明白了。
负温态下,熵增原理依然成立——因为负温态不是孤立系统的平衡态,而是一个亚稳态。
如果把一个负温系统与外界隔绝,它最终会弛豫回正温态,在此过程中熵增加。
所以熵增原理没有被违反,只是需要把"
孤立系统"
的定义扩展到包含亚稳态的情况。
但这还不够。
孙维民问的是"
熵增原理还成立吗"
——如果她只回答"
成立"
,那太笼统了,不够严谨。
她需要给出严格的数学证明。
她翻开了Landau。
Landau的书出了名的难读——推导密集,步骤跳跃,每一段都像一道缩写的证明题。
据说莫斯科大学物理系的学生中间流传一句话:"
Landau的书不是用来读的,是用来做的。
"
沈梦溪现在深有体会——每读一段,她就要在草稿纸上补上三到四步的中间推导,有时候一个"
显然"
两个字背后,藏着整整一页纸的计算。
但Landau的好处是,他不放过任何一个边界条件。
在第七章第四节,沈梦溪找到了她要的东西——Landau对负温度条件下热力学第二定律的完整表述。
他用了整整四页纸。
沈梦溪一页一页地读,一行一行地推。
每一步她都要亲手算一遍,算不出来的就去查别的书,查到了再回来继续。
这个过程像在迷宫里走路——每隔几步就碰一堵墙,得折回去找另一条路。
有时候她以为找到了出口,拐过弯去又是一个死胡同。
她读完Landau的那四页,用了两个小时。
笔记写了七页。
草稿纸用了十二张。
当她终于把最后一个公式推导完毕,在纸上画下最后一个等号的时候,她长长地吐了一口气。
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