Статистическая механика
В статистической механике была первоначально область применения механики и квантовой механики . В настоящее время этот термин часто используется синонимично с статистической физики и статистической термодинамики и , таким образом , выступает за (теоретической и экспериментальной) анализа многочисленных, фундаментальных свойств систем многих частиц ( атомов , молекул и т.д.).
Я. Статистическая механика обеспечивает микроскопическую основу термодинамики . Поэтому это очень важно для химии , особенно для физической химии , в которой говорят о статистической термодинамике. Кроме того, он описывает большое количество других термических равновесных и неравновесных свойств, которые исследуются с помощью современных методов измерения (например, экспериментов по рассеянию ).
В (исходной) статистической механике состояние физической системы не определяется траекториями , т.е. ЧАС. характеризуется временным ходом местоположений и импульсов отдельных частиц или их квантово-механических состояний , а скорее вероятностью обнаружения таких микроскопических состояний .
Статистическая механика была создана в основном благодаря работам Джеймса Клерка Максвелла , Людвига Больцмана и Джозайи Уилларда Гиббса , которые придумали этот термин.
Центральные термины
Далее будут объяснены некоторые термины из статистической физики, которые играют важную роль в анализе свойств теплового равновесия .
Исторически центральное значение имеет формула энтропии Больцмана (которая также выгравирована на надгробии Людвига Больцмана ):
Отмечено здесь
- S - (статистическая) энтропия замкнутой системы , d. ЧАС. из микро-канонического ансамбля .
- постоянная Больцмана , подобно энтропии с единичным джоулем на Кельвин
- число микросостояний (z. B. и импульсы всех частиц в газе), которые совместимы с термодинамическими переменными состояния , такими как энергия, объем и число частиц (Больцман обозначил этот размер как «Komplexionzahl», равный статистическому весу , иногда называемое W, обозначает макроскопическое состояние).
Таким образом, принимается во внимание, что не одно микроскопическое состояние, а, скорее, все возможные состояния определяют макроскопическое поведение физической системы.
Статистические ансамбли играют решающую роль в статистической физике ; различают микроканонический, канонический и большой канонический ансамбли.
Классический и простой пример применения статистической механики является вывод из уравнений из состояния в идеальном газе и ван - дер - Ваальса .
Существенны ли квантовые свойства ( неразличимость частиц), например Б. При низких температурах могут происходить особые явления, которые предсказываются статистической физикой. Например, статистика Бозе-Эйнштейна применима к системам с целочисленным спином ( бозонам ) . Ниже критической температуры и при достаточно слабом взаимодействии между частицами возникает особый эффект, при котором большое количество частиц принимает состояние с наименьшей энергией, происходит бозе-конденсация . Напротив, системы с полуцелым спином ( фермионы ) подчиняются статистике Ферми-Дирака . Из-за принципа Паули также предполагаются состояния с более высокой энергией. Имеется характерный верхний «энергетический край» - энергия Ферми . Он определяет, среди прочего. многочисленные термические свойства металлов и полупроводников .
Концепции статистической механики могут применяться не только к положению и импульсу частиц, но и к другим, например Б. применить магнитные свойства. Здесь моделирование имеет большое значение; z. Б. Обращается внимание на тщательно изученную модель Изинга .
Смотри тоже
литература
Основы
- Людвиг Больцманн , Дитер Фламм: энтропия и вероятность. 2000, ISBN 978-3-8171-3286-7 .
- Джозайя Уиллард Гиббс : элементарные принципы статистической механики. Дувр, Нью-Йорк, 1960 год.
Учебники
- Арье Бен-Наим: Статистическая термодинамика, основанная на информации: прощание с энтропией. 2008, ISBN 978-981-270-707-9 .
- Д. Чендлер: Введение в современную статистическую механику. 1-е изд., Oxford University Press, 1987, ISBN 0-19-504277-8 .
- Торстен Флисбах: Учебник по теоретической физике: статистическая физика. , 2006, ISBN 978-3-8274-1684-1 .
- Р. Хеншке: Статистическая механика. 1-е издание, Wiley-VCH, 2004, ISBN 3-527-40450-3 .
- Вольфганг Нолтинг, Базовый курс теоретической физики 6: Статистическая физика. 2005 г., ISBN 3-540-20505-5 .
- Франц Швабль: Статистическая механика , 2006, ISBN 978-3-54031-095-2 .
Научно-популярная литература
- Арье Бен-Наим: Демистификация энтропии. 2007, ISBN 978-981-270-055-1 .
Введение в философские темы
- Л. Скляр: Физика и шанс: философские вопросы в основах статистической механики. Кембридж: КУБОК 1993.
- Д. Альберт: Время и шанс. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета 2000.
- П. Эренфест , Т. Эренфест : Концептуальные основы статистического подхода в механике. Издательство Корнельского университета, Итака, Нью-Йорк, 1959.
веб ссылки
- Философия статистической механики. Запись в Эдвард Н. Залта (Ред.): Стэнфордская энциклопедия философии .