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。
博科园｜研究/来自：基尔大学
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.225001
发表于 2020-11-30 21:30
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