Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса.

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru

Рассмотрим теперь случай, когда изучаемая система находится в равновесии с очень большим по сравнению с ней термостатом, с которым она может обмениваться энергией, но не может обмениваться частицами. В этом случае наша система отделена от термостата оболочкой, которая с одной стороны непроницаема для частиц, а с другой стороны никак не мешает взаимодействию нашей системы с термостатом, не связанному с обменом частицами.

При таком задании нашей системы мы фиксируем число частиц в ней Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru , ее объем Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru и остальные внешние параметры Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Обозначим термостат буквой Т, нашу систему – буквой S, а совокупность “наша система +термостат” буквой Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Система Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru является замкнутой. Состояние равновесия замкнутой системы определяется ее энергией. Обозначим энергию системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru буквой Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Микросостояния нашей системы и термостата, возможные в заданном состоянии равновесия ,определяются условием

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (14)

Величина E есть заданная условием задачи константа. Она определяет состояние равновесия всей замкнутой системы.

Распределение вероятности различных микросостояний такой системы называется каноническим. Теорему, определяющую функцию канонического распределения, часто называют теоремой Гиббса.

Для теоремы Гиббса принципиальное значение имеют три следующих момента. Первый момент заключается в том, что система Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru является замкнутой. Это означает, что ее распределение является микроканоническим. Этот обстоятельство является отправной точкой теоремы Гиббса. Второй момент – это обсужденная выше аппроксимация Гамильтониана. Поэтому, когда в наших рассуждениях нам встретится функция Гамильтона составной системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru мы должны будем ее заменить на сумму функции Гамильтона нашей системы и функции Гамильтона термостата. Третий момент состоит в том, что наша система Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru очень мала по сравнению со всей системой Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru так, что с подавляющей вероятностью реализуются такие микросостояния нашей системы, в которых ее энергия существенно меньше энергии системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru : Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Это дает нам малый параметр, по которому, естественно, нужно будет проводить разложение в ряд.

Итак, при доказательстве теоремы Гиббса мы исходим из того, что распределение системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru по ее микросостояниям является микроканоническим. Т.е. мы принимаем на веру, что функция распределения системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru (зависит она как от микросостояния нашей системы, так и от микросостояния термостата) есть нормировочная постоянная Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru , умноженная на дельта-функцию, аргумент которой есть функция Гамильтона системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru минус Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Энергия Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru есть заданная условием задачи константа.

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (15)

Цель теоремы Гиббса состоит в том, чтобы отталкиваясь от этой отправной точки, получить функцию распределения нашей системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Нас интересует вероятность Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru нахождения нашей системы в элементарной окрестности точки Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru ее фазового пространства, при всех микросостояниях термостата, возможных в данном состоянии равновесия.

Нам известна функция распределения составной системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Поэтому первым делом мы должны интересующую нас вероятность выразить через эту функцию распределения. Для этого, очевидно, нужно воспользоваться теоремой о сложении вероятностей. В соответствии с этой теоремой интересующая нас вероятность есть

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (16)

Подставляем в это выражение явный вид функции распределения составной системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . В результате получаем

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (17)

Теперь естественно воспользоваться аппроксимацией Гамильтониана. Заменяем функцию Гамильтона замкнутой системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru на сумму гамильтониана нашей системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru и гамильтониана термостата Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . В результате выражение для нашей вероятности принимает вид

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (18)

Этот интеграл легко вычислить, благодаря наличию в нем дельта-функции. Для того, чтобы его посчитать, нужно, используя сформулированную ранее теорему, перейти от интегрирования по фазовому пространству к интегрированию по энергии и, затем, воспользоваться основным свойством дельта-фукнции. После этих несложных выкладок мы получим

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (19)

Здесь

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru , (20)

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (21)

- объем фазового пространства термостата, ограниченный изоэнергетической поверхностью Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Теперь воспользуемся пользуемся тем, что наша система Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru по предположению есть малая часть составной системы Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru так, что с подавляющей вероятностью реализуются микросостояния нашей системы с энергией Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Это дает нам возможность Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru разложить в ряд Тейлора в окрестности точки Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Ограничимся в этом разложении первой степенью Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Для практических приложений этого более, чем достаточно.

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (22)

Отсюда

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru (23)

Соответственно, выражение для нашей вероятности принимает вид

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (24)

Выяснение вопроса о том, почему мы раскладываем в ряд именно Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru , а не саму величину Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru , давайте отложим до того времени, когда мы будем рассматривать нашу задачу с позиций квантовой механики.

Величина Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru не зависит от микросостояния нашей системы и поэтому может быть включена в нормировочный множитель вероятности Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . Давайте весь этот нормировочный множитель обозначим Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru .

Таким образом, мы получаем

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (25)

Число Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru определяется условием нормировки.

Введем величину

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (26)

Эта величина также не зависит от микросостояния нашей системы, а определяется макроскопическим состоянием всей замкнутой системы, т.е. главным образом термостатом, поскольку по сравнению с нашей системой он просто огромен. Эта величина Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru называется модулем канонического распределения.

Итак, мы приходим к следующему выражению для функции распределения нашей системы

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (27)

Постоянная Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru определяется из условия нормировки, которое, напомню, имеет следующий вид

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (28)

Часто эту постоянную называют статистическим интегралом данного состояния равновесия нашей системы.

Подставляя в условие нормировки явный вид функции распределения, получаем, что статистический интеграл

Система с теплообменом. Каноническое распределение Гиббса. - student2.ru . (29)

Как не сложно видеть из этого выражения, значение статистического интеграла однозначным образом определяется внешними параметрами нашей системы и модулем канонического распределения.

Таким образом, если мы знаем внешние (силовые) параметры и модуль канонического распределения, то этой информации достаточно для того, чтобы написать функцию распределения и, соответственно, вычислить все ее внутренние термодинамические параметры.

Наши рекомендации