教学讨论

用Stirling公式严格证明玻尔兹曼对热二律的微观解释

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  • 北京理工大学物理学系,北京100081
李元昌(1982—),男,北京理工大学物理学院教授,博士,主要从事热学教学和凝聚态物质的计算研究工作.
李元昌,E-mail: yuancli@bit.edu.cn

收稿日期: 2024-08-27

  修回日期: 2024-09-27

  网络出版日期: 2025-04-28

基金资助

2023年北京高等教育本科教学改革创新项目;教育部高等学校物理学类专业教学指导委员会2023年热学课程教学研究会项目(JZW23RX11);国家自然科学基金(12074034)资助

Understanding the Boltzmann microscopic interpretation of the second law of  thermodynamics from the Stirling formula

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  • School of Physics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China

Received date: 2024-08-27

  Revised date: 2024-09-27

  Online published: 2025-04-28

摘要

本文利用Stirling公式的精确形式严格求解了N个气体分子在一长方形容器中左、右两半分布的热力学概率问题,定量验证了玻尔兹曼对热力学第二定律微观本质的统计解释. 结果显示占微观态总数95%的态分布在平衡态附近±N的区间,即,相对涨落与N呈1/N的标度关系. 本文讨论了常用的Stirling近似引发的困惑和谬误.

本文引用格式

李元昌, 刘玉龙, 刘鹏, 吕勇军, 李军刚 . 用Stirling公式严格证明玻尔兹曼对热二律的微观解释[J]. 大学物理, 2025 , 44(2) : 45 . DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240395

Abstract

 In this work,the thermodynamic probability problem of N gas molecules distributed in the left and right halves of a rectangular container is rigorously solved using the exact form of Stirlings formula,which quantitatively verifies Boltzmanns statistical interpretation of the microscopic nature of the second law of thermodynamics. It is shown that 95% of the total microscopic states are distributed in the ±Ninterval near the equilibrium state,i.e.,the relative fluctuations are 1/Nwith respect to N. Confusion and errors caused by the common Stirling approximation are discussed.

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