ميكانيكا إحصائية
ميكانيكا إحصائية |
---|
الميكانيكا الإحصائية هو تطبيق علم الاحصاء, الذي يتألف من مجموعة أدوات رياضية للتعامل مع التجمعات الضخمة, ضمن مجال الميكانيك الذي يهتم بحركة الجسيمات أو الأجسام عند خضوعها لقوى خارجية. لذلك يؤمن الميكانيك الإحصائي إطارا لربط الخواص المجهرية properties microscopic للذرات والجزيئات مع الخواص الظاهرة (الجهرية) macroscopic properties للمواد المدروسة. فهي تقوم بتفسير التحريك الحراري على أنه نتيجة للإحصاء مع الميكانيك بجانبيه (الكلاسيكي والكمومي).
الميكانيكا الإحصائية هو تطبيق نظريات الإحصاء التي تتضمن أدوات رياضية للتعامل مع التجمعات الكبيرة ، في فروع الفيزياء التي تتعامل مع حركة أعداد كبيرة من الأجسام أو الجزيئات عند تعريضها لقوى معينة .
يشكل الميكانيك الإحصائي اطارا يربط الخواص المجهرية Microscopic Properties للجزيئات مع الخواص الجهرية Macroscopic Properties للمواد التي تتألف أساسا من هذه الجزيئات مما يعطينا فكرة جيدة عن أصل الخواص المواد التي نراها يوميا في الحياة العادية .
أحد أهم فروعه هو التحريك الحراري ( الترموديناميك Thermodynamics ) الذي يعتبر نتيجة لعلمي الإحصاء و الميكانيك ( الكلاسيكي منه و الكمومي ) .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
الصلة بالترموديناميكا
implies, together with the interpretation of as , the following microscopic definition of internal energy:
The entropy can be calculated by (see Shannon entropy)
which implies that
is the Free energy of the system or in other words,
where is the average value of property . This equation can be applied to the internal energy, :
Helmholtz free energy: | |
---|---|
Internal energy: | |
Pressure: | |
Entropy: | |
Gibbs free energy: | |
Enthalpy: | |
Constant Volume Heat capacity: | |
Constant Pressure Heat capacity: | |
Chemical potential: |
Nuclear | |
---|---|
Electronic | |
Vibrational | |
Rotational (linear) | |
Rotational (non-linear) | |
Translational | |
Configurational (ideal gas) |
Grand canonical ensemble
If the system under study is an open system, (matter can be exchanged), but particle number is not conserved, we would have to introduce chemical potentials, μj, j=1,...,n and replace the canonical partition function with the grand canonical partition function:
where Nij is the number of jth species particles in the ith configuration. Sometimes, we also have other variables to add to the partition function, one corresponding to each conserved quantity. Most of them, however, can be safely interpreted as chemical potentials. In most condensed matter systems, things are nonrelativistic and mass is conserved. However, most condensed matter systems of interest also conserve particle number approximately (metastably) and the mass (nonrelativistically) is none other than the sum of the number of each type of particle times its mass. Mass is inversely related to density, which is the conjugate variable to pressure. For the rest of this article, we will ignore this complication and pretend chemical potentials don't matter. See grand canonical ensemble.
Let's rework everything using a grand canonical ensemble this time. The volume is left fixed and does not figure in at all in this treatment. As before, j is the index for those particles of species j and i is the index for microstate i:
Grand potential: | |
Internal energy: | |
Particle number: | |
Entropy: | |
Helmholtz free energy: |
انظر أيضاً
Maxwell Boltzmann | Bose-Einstein | Fermi-Dirac | |
---|---|---|---|
Particle | Boson | Fermion | |
Statistics |
Partition function | ||
Statistics |
Maxwell-Boltzmann statistics |
Bose-Einstein statistics | Fermi-Dirac statistics |
Thomas-Fermi approximation |
gas in a box gas in a harmonic trap | ||
Gas | Ideal gas |
Bose gas |
|
Chemical Equilibrium |
Classical Chemical equilibrium |
مراجع
مصادر
- Callen, Herbert B. (1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., New York. ISBN 0-471-86256-8
- P. Pluch Quantum Probability Theory, PhD Thesis, University of Klagenfurt (2006)
وصلات خارجية
- Philosophy of Statistical Mechanics article by Lawrence Sklar for the Stanford Encyclopedia of Philosophy.
الفيزياء الكلاسكية والأمواج وديناميكا حرارية | مواضيع
---|
|