- •Классическая статистическая физика Основные положения
- •Фазовое пространство системы частиц
- •Число степеней свободы
- •«Вымерзание» степеней свободы
- •Размерность фазового пространства
- •Число микросостояний в элементе объема Элемент объема фазового пространства равен
- •Объем и площадь n-мерной сферы
- •Фазовая траектория
- •Фазовый ансамбль
- •Теорема Лиувилля
- •, . (2.5)
- •Следствия теоремы Лиувилля
- •Пример. Идеальный газ двухатомных молекул
- •Микроканоническое распределение Основные понятия и определения
- •Распределение микросостояний по фазовому пространству
- •Энергетическая плотность состояний
- •Пример энергетической плотности состояний
- •Нормировочная постоянная микроканонического распределения
- •Микроканоническое распределение
- •Число микросостояний газа
- •Число микросостояний частицы
- •Энергетическая плотность состояний газа
- •Энергетическая плотность состояний частицы
- •Характеристики макросостояния
- •Вариация числа микросостояний при изменении объема
- •Статистический смысл давления
- •Соотношение между статистическими и термодинамическими характеристиками
- •Статистический смысл температуры
- •Статистический смысл энтропии
- •Пример 1
- •Пример 2
- •Каноническое распределение
- •Распределение микросостояний газа по энергии
- •Макрохарактеристики и статистический интеграл
- •Принцип Ландауэра
- •Статистический интеграл поступательного движения
- •Статистический интеграл колебательного движения
- •Статистический интеграл вращательного движения
- •Теорема Бора – Ван-Лёвен
- •Распределение тепловой энергии по степеням свободы
- •Примеры
- •Вопросы коллоквиума
Статистический смысл энтропии
Из (2.67)
и (2.68)
находим
, (2.70)
\Интегрируем (2.70)
.
Выбираем , тогда система в одном микросостоянииимеет нулевую энтропию в соответствии с третьим началом термодинамики. В результате
, (2.71)
Выражение (2.71) определяет статистический смысл энтропии – энтропия пропорциональна логарифму числа микросостояний фазового ансамбля.
Фазовый объем системы, состоящей из независимых подсистем 1 и 2, равен произведению объемов, которые они занимают:
.
Из (2.71) получаем аддитивность энтропии
(2.72)
– энтропия системы равна сумме энтропий независимых подсистем.
Из (2.20)
и (2.70)
находим
.
Используем (2.68)
,
получаем
. (2.73)
Из приведенных соотношений следует:
Согласно (2.71)
выполняется
, (2.74)
число микросостояний системы увеличивается экспоненциально с ростом энтропии.
2. Чем больше возможных микросостояний, реализующих макросостояние, тем меньше информации о системе. Увеличение энтропии означает уменьшение информации о системе и увеличение ее хаотичности. Чем более упорядочена система, тем меньше ее энтропия. Для контроля и управления системой необходимо снижать ее энтропию.
3. Согласно (2.73) чем ниже температура, тем быстрее уменьшается энтропия с понижением энергии системы. Для уменьшения энтропии следует снижать температуру и использовать переходы с малой энергией. Согласно теореме Нернста, или третьему началу термодинамики, при у любой системыи она занимает лишь одно микросостояние.
4. Для замкнутого обратимого процесса выполняется равенство Клаузиуса
,
или второе начало термодинамики. Следовательно, энтропия является функцией состояния.
Пример 1
Атом массой m с гамильтонианом и энергией находится в трехмерном изолированном объеме V, где все точки и направления равноправны. Найти макрохарактеристики фазового ансамбля. Рассмотреть газ из N атомов.
Система изолирована, тогда ,
.
Фазовый ансамбль состояний находится в импульсном пространстве на трехмерной сфере радиусом
.
Микросостояния отличаются направлениями вектора импульса и положениями в объеме V. Число микросостояний внутри гиперповерхность находим из (2.2б)
.
При ,получаем
.
Используем
,
находим число микросостояний
. (П.2.4)
Одночастичная энергетическая плотность состояний (2.22)
равна
. (П.2.5)
Плотность состояний классической частицы пропорциональна объему V, доступному для частицы, и корню квадратному из энергии.
Из (2.68)
и (П.2.4), (П.2.5) находим тепловую энергию
. (П.2.6)
Следовательно, средняя энергия частицы, пропорциональная тепловой энергии
.
При нормальной температуре
.
Из (2.64), (П.2.5)
,
,
и (П.2.4)
,
находим давление, создаваемой фазовым ансамблем, соответствующим одной частице:
,
где учтено (П.2.6) . Получено уравнение идеального газа из одной частицы.
Энтропию находим из (2.71) и (П.2.4)
,
получаем
,
где .Энтропия понижается при уменьшении объема сосуда и энергии частицы.
Частный случай – азот N2. Масса атома
.
При
, ,
получаем
,
.
На интервале энергии находятсяуровней, следовательно,классический газ имеет квазинепрерывный спектр.
Для N одинаковых частиц идеального газа полная энергия складывается из энергий отдельных частиц
,
где – проекция импульса одной из частиц на декартову ось. Получаем уравнение сферы в 3N-мерном импульсном пространстве радиусом . Объема шара вычисляем по формуле(П.2.1)
, .
Получаем
,
,
тогда
,
.
Из (2.68) находим
– температура пропорциональна средней энергии частицы.
Давление
.
Получено уравнение идеального газа .