- •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
Теорема Лиувилля
Равновесный газ описывается стационарным, то есть не зависящим от времени, гамильтонианом и постоянными термодинамическими параметрами. Макросостояние реализуется фазовым ансамблем микросостояний. Это множество точек с течением времени движется по фазовому пространству. Закон их перемещения описывает теорема Лиувилля – при движении точек фазового ансамбля плотность микросостояний вдоль траектории остается постоянной и зависит от гамильтониана
, . (2.5)
Аналогично течет несжимаемая жидкость, сохраняя свою плотность. Теорему доказал французский математик Лиувилль в 1838 г. Теорема используется для получения явного вида функции распределения состояний по фазовому пространству.
Жозеф Лиувилль (1809–1882)
Доказательство теоремы
Рассмотрим бесконечно малый объем фазового пространства в форме цилиндра с осью вдоль одной из обобщенных координат . Основания цилиндраперпендикулярны оси, длина образующей. Микросостояния с плотностьювходят в объем и выходят из него.
Для нахождения числа вошедших за 1с микросостояний представим микросостояние в виде точки на рисунке. Число точек в единице объема равно w. Если все точки двигаются со скоростью , то за 1с через сечение пройдут состояния, которые первоначально заполняли цилиндр с образующей, равной скорости. Умножаем объем цилиндра на плотность состояний, получаем число вошедших состояний
.
От точки к точке оси меняется плотность микросостоянийи их скорость, тогда число состояний, выходящих через сечениеравно
,
где использовано
.
Если плотность изменяется с течением времени, тогда в объеме появляются и исчезают состояния. За 1с в объемепоявляется число состояний
.
Каждое состояние описывает реальную систему, поэтому число состояний сохраняется и выполняется уравнение баланса
«число появившихся состояний» =
= «число вошедших состояний» – «число вышедших состояний»:
.
Сокращаем подобные и получаем
.
Результат обобщаем на случай изменения всех координат фазового пространства
.
Раскрываем круглые скобки
.
Последняя скобка равна нулю согласно уравнениям Гамильтона (2.1)
, .
Получаем уравнение Лиувилля
(2.5а)
Используем выражение для полной производной
,
получаем теорему Лиувилля
(2.5б)
– полная производная по времени от плотности микросостояний равна нулю. Следовательно, плотность микросостояний фазового ансамбля не изменяется при его движении.
Пример
Для одномерного движения свободной частицы запишем уравнение Лиувилля и найдем его решение. Сравним результат с решением уравнений Гамильтона.
Уравнение Лиувилля (2.5а)
для одномерного движения частицы с имеет вид
. (П.2.2)
Для получения ииспользуем гамильтониан свободной частицы
.
Из уравнений Гамильтона (2.1)
,
находим
, .
Задаем начальные условия ,. Решаем уравнения и получаем известные формулы равномерного движения
, ,. (П.2.3)
Подставляем (П.2.3) в (П.2.2)
и получаем уравнение Лиувилля
.
Уравнению удовлетворяет
,
где – распределение плотности вероятности обнаружения частицы в начальный момент времени.
Плотность вероятности обнаружения координаты и импульса частицы определяет траекторию и закон движения частицы в фазовом пространстве, как и уравнения Гамильтона. Если придля частицы заданы не начальные условия, а их распределение в фазовом пространстве, то динамика частицы описывается не уравнениями Гамильтона, а эволюционным уравнением Лиувилля (2.5а).