Статистическим весом называется число микросостояний, реализующих заданное макросостояние.
Ex Игральные кости. Конфигурация (3 4 5), так что сумма - аналог полной энергии макросостояния с . Энтропия .
В фазовом пространстве микросостоянию соответствует ячейка объема . Возьмем две гиперповерхности с энергиями и (для каждого ). Число микросостояний будет пропорционально объему, заключенному между этими поверхностями .
- статистический вес (число состояний на единичный интервал энергии ).
Рассмотрим систему с постоянной энергией (замкнутая система). Плотность будет отлична от нуля только на гиперповерхности и равно нулю в остальных точках (фазовая траектория целиком лежит на этой поверхности). Кроме того и на поверхности постоянно. Этому свойству удовлетворяет . Такое распределение называется микроканоническим.
Найдем нормировочную константу .
.
Таким образом , и .
Модуль канонического распределения, температура и теплоемкость определяются как:
, , .
Задачи:
14. Определить МКР для а) частиц идеального газа; б) независимых линейных классических осцилляторов.
|
|
Решение: а) энергия сохраняется, следовательно
( - номер проекции, - номер частицы). Найдем объем , соответствующей состояниям с энергией, меньшей . Это, как следует из (1) будет объем - мерного шара.
NB Объем -мерного шара . Найдем . Рассмотрим интеграл
. Следовательно .
,
,
В нашем случае в роли выступает , а , следовательно:
.
Используя уравнения термодинамики:
сразу получим
,
NB .
Таким образом, для больших весь объем - мерной сферы заключен вблизи ее поверхности, то есть для расчета энтропии можно брать весь фазовый объем, а не только его часть вблизи поверхности.
б) энергия системы независимых трехмерных осцилляторов сохраняется и равна:
Положим . Тогда
. Статистический вес: .
Энтропия:
, следовательно .
NB Заметим, что в силу того, что - велико
.
15. Вывести каноническое распределение Гиббса, взяв в качестве модели термостата примеры из предыдущей задачи.
Решение: Обозначим - совокупность координат и импульсов частиц термостата, а - рассматриваемой системы. Вместе они образуют замкнутую систему. Чтобы получить распределение для системы, нужно проинтегрировать по координатам и импульсам термостата:
( - энергия системы).
Подставим из предыдущей задачи (термостат+система содержат частиц, а сам термостат )
при
Предел
- каноническое распределение Гиббса или .
(В случае с осцилляторами следовало положить ).