Meccanica statistica: differenze tra le versioni
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Da un punto di vista classico lo studio di un sistema con <math> N
Da un punto di vista classico lo studio di un sistema con ''N'' particelle non interagenti richiede la soluzione di ''N'' [[equazione differenziale|equazioni differenziali]], che descrivono il moto di ogni particella. Quando il numero di particelle è molto grande, dell'ordine del [[numero di Avogadro]], la meccanica statistica permette di poter caratterizzare il sistema attraverso grandezze macroscopiche, come il [[calore]], l'[[energia libera]], la [[pressione]] o il [[volume]].▼
</math> particelle non interagenti richiede la soluzione di ''<math> N
▲
== Il postulato dell'equiprobabilità a priori ==
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Questo postulato è una premessa fondamentale in meccanica statistica – stabilisce infatti che un sistema isolato in equilibrio non ha nessuna preferenza per nessuno dei suoi microstati possibili. Dati <math>\Omega</math> microstati associati ad una particolare energia, la probabilità di trovare il sistema in un particolare microstato è dunque
:<math>P = \frac{1}{\Omega}
Questo postulato è necessario perché permette di concludere che per un sistema in equilibrio lo [[stato termodinamico]] che può risultare dal maggior numero di microstati è anche il macrostato più probabile del sistema.
Il postulato è giustificato in parte, per i sistemi classici, dal [[
Nel contesto della [[teoria dell'informazione]] questo permette la definizione della ''funzione informazione'':
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:<math>I = \sum_i \rho_i \ln\rho_i = \langle \ln \rho \rangle</math>
Quando tutti i <math>\rho_i
== Insiemi statistici ==
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* [[Insieme gran canonico]]: descrive un sistema aperto, caratterizzato dal poter scambiare materia ed energia con il resto dell'universo.
{| class="wikitable" style="text-align: center;"
!
!Insieme microcanonico
!Insieme canonico
!Insieme gran canonico
|-
!Variabili costanti
|<math>E</math>, <math>N</math>, <math>V</math> o <math>\beta</math>
|<math>T</math>, <math>N</math>, <math>V</math> o <math>\beta</math>
|<math>T</math>, <math>\mu</math>, <math>V</math> o <math>\beta</math>
|-
!Funzioni macroscopiche
|<math>\Omega</math><br/><small>[[Microstato (fisica)|Numero di microstati]]</small>
|<math>Z
|<math> \mathcal{Z} = \sum_k e^{-\beta (E_k - \mu N_k )}</math><br/><small>[[Funzione di partizione (meccanica statistica)|Funzione di partizione gran canonica]]</small>
|-
!Funzioni microscopiche
▲| style="border-left:1px solid; border-top:1px solid;" | <small> [[Funzione di partizione (meccanica statistica)|Funzione di partizione canonica]]<br /><br /><math>Z = \sum_k e^{-\beta E_k}</math>
|<math>S = k_B \ln \Omega</math>
|<math>F = -k_B T\ \ln Z</math>
|<math>F-G = -p V =-k_B T \ln \mathcal{Z} </math>
|}
=== Insieme microcanonico ===
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=== Insieme canonico ===
{{vedi anche|Insieme canonico}}
L'insieme canonico descrive un sistema in [[equilibrio termico]] con il resto dell'universo, caratterizzato dall'avere numero di particelle, volume e temperatura costante, e quindi dal poter scambiare solamente energia in forma di [[calore]].<br />La probabilità <math>P_i</math> che un sistema macroscopico in equilibrio termico col proprio ambiente a temperatura <math>T</math> sia in un dato microstato con energia <math>E_i</math> è data dalla [[distribuzione di Boltzmann]]:
:<math>P_i =
dove
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:<math>\beta={1\over{k_B T}}</math>,
La temperatura <math> T
:<math>Z = \sum_j^{j_{max}}
dove <math>E_i
In definitiva, la probabilità del microstato è:
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==== Connessione termodinamica ====
La funzione di partizione può essere usata per trovare il valore previsto medio di una proprietà microscopica del sistema, la quale può poi essere collegata a variabili macroscopiche. Per esempio, il valore previsto dell'energia <math>
:<math>\langle E\rangle={\sum_i E_i e^{-\beta E_i}\over Z}=-{1 \over Z} {dZ \over d\beta}</math>
implica, insieme all'interpretazione di <math>
:<math>U\colon = -{d\ln Z\over d \beta}.</math>
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è l'[[energia libera]] del sistema, o in altre parole:
:<math>Z=e^{-\beta F}</math>.
Avere una descrizione microscopica per i potenziali di base termodinamici, l'[[energia interna]] <math>
Il valore medio, che corrisponde al valore macroscopico, di una proprietà <math>J</math> che dipende dallo stato energetico del sistema è pari a:
:<math> \langle J \rangle = \sum_i p_i J_i = \sum_i J_i \frac{
dove <math
:<math>U = \sum_i E_i \frac{
In seguito, queste equazioni possono essere combinate con relazioni termodinamiche note tra <math>U
{| class="wikitable"
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| <math>P = -\left({\partial F\over \partial V}\right)_{N,T}= {1\over \beta} \left( \frac{\partial \ln Z}{\partial V} \right)_{N,T}</math>
|-
| [[
|<math>S = k (\ln Z + \beta U)</math>
|-
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==== Contributi energetici ====
È spesso utile considerare che l'energia di una data molecola è distribuita fra diversi tipi di energie. Il principale è l'energia di traslazione, che si riferisce a quella porzione di energia associata al moto del [[centro di massa]] della molecola. Vi è inoltre l'energia di configurazione, che si riferisce a quella porzione di energia associata con le varie forze attrattive e repulsive fra le molecole di un sistema. Le altre energie in gioco riguardano i gradi di libertà interni alla molecola, come l'energia rotazionale, vibrazionale, elettrica e nucleare. Se si suppone che ogni contributo energetico sia indipendente dagli altri l'energia totale può essere espressa come la somma di ciascuna componente:
: <math>E = E_t + E_c + E_n + E_e + E_r + E_v</math>
Dove le lettere <math>
: <math>Z = \sum_i
: <math>= \sum_i
Se è corretto supporre che
Pertanto per ogni tipo può essere definita una funzione di partizione. Semplici espressioni sono state dedotte collegando ciascuno dei vari tipi a varie proprietà molecolari misurabili, come le frequenze rotazionali o vibrazionali caratteristiche.
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|-
| Vibrazionale
| <math>Z_v = \prod_j \frac{
|-
| Rotazionale (lineare)
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|}
Queste equazioni possono essere combinate con quelle nella prima tabella per determinare il contributo di un particolare tipo d'energia ad
La pressione totale può essere trovata sommando i contributi alla pressione di tutti i singoli tipi:
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=== Insieme gran canonico ===
{{vedi anche|Insieme gran canonico}}
L'insieme gran canonico descrive un sistema aperto, caratterizzato dall'avere temperatura, volume e [[potenziale chimico]] fissati, e quindi dal poter scambiare materia ed energia con il resto dell'universo. In un tale sistema il numero di particelle non è conservato, e diventa necessario introdurre i [[potenziale chimico|potenziali chimici]]
: <math>\mathcal{Z} = \sum_{N=0}^\infty\,\sum_{\{n_i\}}\,\prod_i e^{-\beta n_i(\varepsilon_i-\mu)}</math>
dove
Nel caso di un [[gas ideale]] quantistico occorre usare il "conteggio corretto di Boltzmann" e dividere il fattore Boltzmann <math>e^{-\beta (\varepsilon_i-\mu)}</math> per
: <math>\mathcal{Z}_i
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\langle n_i\rangle
= -\left(\frac{\partial\ln(\mathcal{Z}_i)}{\partial (\beta \mu)} \right)_{\beta,V}
= \frac{1}{\beta}\left(\frac{\partial\ln(\mathcal{Z}_i)}{\partial \mu} \right)_{\beta,V}
</math>
Riga 236 ⟶ 233:
==== Statistiche di Bose-Einstein e Fermi-Dirac ====
{{vedi anche|
In un sistema composto da [[bosone (fisica)|bosoni]] non interagenti non vi è un limite al numero di occupazione di uno stato, pertanto la funzione di granpartizione è:
Riga 243 ⟶ 240:
= \frac{1}{1-e^{-\beta (\varepsilon_i-\mu)}}</math>
In un sistema composto di [[fermioni]] non interagenti, invece, per il [[principio di esclusione di Pauli]] il numero di occupazione può essere <math>0</math> o <math>1</math>, pertanto:
: <math>\mathcal{Z}_i
Riga 297 ⟶ 294:
Nell'insieme micro canonico, il sistema non scambia energia col resto dell'universo, e non è di conseguenza soggetto a fluttuazioni di energia, mentre nell'insieme canonico, il sistema è libero di scambiare energia col resto dell'universo in forma di [[calore]].
Al [[limite termodinamico]] (quando il numero di particelle prese in esame tende a infinito,
Fatte questa considerazioni, il miglior insieme da scegliere per il calcolo delle proprietà di un sistema microscopico è quel sistema che permette di ricavare più facilmente il risultato.
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== Cammini casuali ==
Lo studio delle lunghe catene di [[polimero|polimeri]] è diventato una fonte di problemi nell'ambito della meccanica statistica fin dagli anni cinquanta. Una delle ragioni per le quali gli scienziati erano interessati a questi studi è che le equazioni che governano il comportamento di una catena di polimeri sono indipendenti dalla chimica delle catene. Inoltre, le equazioni che governano questo comportamento si rivelano essere (cammini diffusivi) casuali nello spazio. Infatti, l'[[equazione di
=== Cammini casuali nel tempo ===
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Il primo esempio di cammino casuale è un cammino nello spazio, in base al quale una particella si muove di moto casuale dovuto a forze esterne nel mezzo che la circonda. Un esempio tipico potrebbe essere un granello di polline in una bacinella piena d'acqua. Se si potesse in qualche modo evidenziarne il percorso, questo sarebbe definito un cammino casuale.
Si consideri un problema "giocattolo", un treno che si muove lungo un tracciato monodimensionale nella direzione delle <math>x</math>. Supponiamo anche che il treno si muova avanti o indietro di una distanza fissata
:<math>\langle S_{i} \rangle = 0</math>
Riga 318 ⟶ 315:
conosciuta come la [[funzione correlazione]].<br />
Il delta è la [[delta di Kronecker]], che vale <math>0</math> se gli indici
:<math>x = \sum_{i=1}^{N} S_{i}</math>
Riga 326 ⟶ 323:
:<math>\langle x \rangle = \sum_{i=1}^{N} \langle S_{i} \rangle</math>
Come detto <math>\langle S_{i} \rangle=0</math>
Può essere anche calcolata, usando lo stesso metodo dimostrato sopra, la radice della media aritmetica dei quadrati del problema, il cui valore risulta
:<math>x_{rms} = \sqrt {\langle x^2 \rangle} = b \sqrt N </math>
Dall'[[equazione di diffusione]] si può vedere che la distanza percorsa da una particella che si diffonde in un mezzo è proporzionale alla radice del tempo nel quale il sistema si è diffuso, dove la costante di proporzionalità è la radice della costante di diffusione. La relazione di sopra, sebbene esteticamente differente, rivela un significato fisico simile, dove
=== Cammini casuali nello spazio ===
Riga 337 ⟶ 334:
I cammini casuali nello spazio possono essere pensati come istantanee del tragitto percorso da un camminatore casuale nel tempo. Un esempio di questo è la configurazione spaziale delle lunghe catene di polimeri.
Ci sono due tipi di cammini casuali nello spazio: cammini "autoevitanti"
Considerando una catena di polimeri liberamente collegata, senza interazioni, il vettore testa-coda è
Riga 344 ⟶ 341:
dove <math>\mathbf {r}_{i}</math> è il vettore posizione dell''i''-esima connessione nella catena.
Come risultato del [[teorema del limite centrale]], se <math>N
:<math>\langle \mathbf{r}_{i} \rangle = 0</math>
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Presupponendo, come stabilito, che la distribuzione dei vettori testa-coda per un numero molto grande di identiche catene di polimeri è gaussiana, la distribuzione delle probabilità ha la seguente forma
:<math>P = \frac{1}{\left (\frac{2 \pi N b^2}{3} \right )^{3/2}} \exp \left(\frac {-3 \mathbf R \cdot \mathbf R}{2NB^2} \right)</math>
Richiamando il principio dell'equiprobabilità ''a priori'', il numero di microstati, <math>\Omega</math>, corrispondenti a qualche valore fisico è direttamente proporzionale alla distribuzione delle probabilità a quel valore fisico:
Riga 378 ⟶ 375:
:<math>\Delta F = - T \Delta S \left ( \mathbf {R} \right )</math>
dove
:<math>\Delta F = k_B T \frac {3R^2}{2Nb^2} = \frac {1}{2} K R^2 \quad ; K = \frac {3 k_B T}{Nb^2}</math>
Riga 387 ⟶ 384:
== Bibliografia ==
* {{Cita libro|wkautore=Willard Gibbs|nome=J. W.|cognome=Gibbs|url=
* {{Cita libro|nome=J.|cognome=Rice|url=
* {{Cita libro|nome=J. E.|cognome=Mayer|nome2=E. G.|cognome2=Mayer|url=
* {{Cita libro|nome=R. B.|cognome=Lindsay|url=
* {{Cita libro|nome=L. D.|cognome=Landau|wkautore=Lev Davidovič Landau|nome2=E. M.|cognome2=Lifsits|wkautore2=Evgenij Michajlovič Lifšic|nome3=L. P.|cognome3=Pitaevskij|titolo=Fisica teorica|volume=5: Fisica Statistica|editore=
* {{Cita libro|nome=Morikazu|cognome=Toda|nome2=Ryōgo|cognome2=Kubo|wkautore2=Ryogo Kubo|nome3=Nobuhiko|cognome3=Saito
* {{Cita libro | autore=Chandler, David | titolo=Introduction to Modern Statistical Mechanics | url=https://archive.org/details/introductiontomo0000chan | editore=Oxford University Press | anno=1987 | isbn=0-19-504277-8 }}
* {{Cita libro | autore=Huang, Kerson | titolo=Statistical Mechanics | editore=[[John Wiley & Sons]] | anno=1990 | isbn=0-471-81518-7 }}
* {{Cita libro | autore=Kroemer, Herbert; Kittel, Charles | titolo=Thermal Physics (2nd ed.) | url=https://archive.org/details/thermalphysics0000kitt | editore=W. H. Freeman Company | anno=1980 | isbn=0-7167-1088-9 }}
*Peliti, L. (2003). ''Appunti di Meccanica Statistica''. Torino: Bollati Boringhieri.
== Voci correlate ==
Riga 407 ⟶ 405:
* [[Ipotesi ergodica]]
* [[Temperatura]]
{{
=== Statistica di Maxwell-Boltzmann ===
* [[Ludwig Boltzmann]]
Riga 416 ⟶ 414:
* [[Paradosso di Gibbs]]
* [[Limite termodinamico]]
{{
=== Statistica di Bose-Einstein ===
* [[Bosone (fisica)|Bosone]]
Riga 424 ⟶ 422:
* [[Statistica di Bose-Einstein]]
* [[Satyendra Nath Bose]]
{{
=== Statistica di Fermi-Dirac ===
* [[Condensato chirale]]
Riga 433 ⟶ 431:
* [[Statistica di Fermi-Dirac]]
* [[Enrico Fermi]]
{{
== Altri progetti ==
{{interprogetto|
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{Cita libro|nome=Giovanni|cognome=Gallavotti|titolo=Trattatello di Meccanica Statistica|volume=Quaderno CNR-GNFM, 50|anno=settembre 1995}} ({{Cita web|http://ipparco.roma1.infn.it/pagine/deposito/1995/Enc1.ps.gz|p. 1-126}}, {{Cita web|http://ipparco.roma1.infn.it/pagine/deposito/1995/Enc2.ps.gz|p. 127-258}},{{Cita web|http://ipparco.roma1.infn.it/pagine/deposito/1995/Enc3.ps.gz|p. 259-355}})
* {{Cita web|1=http://handle.dtic.mil/100.2/AD400926|2=LECTURES IN STATISTICAL MECHANICS; WITH AN APPENDIX ON QUANTUM STATISTICS OF INTERACTING PARTICLES|anno=1961|lingua=en|autore=G. E. Uhlenbeck, G. E. Ford, E. W. Montroll|urlmorto=sì}}
* {{Cita web|
* {{Cita web|
* {{Cita web|http://plato.stanford.edu/entries/statphys-statmech/|Philosophy of Statistical Mechanics|lingua=en}} articolo di Lawrence Sklar per la Stanford Encyclopedia of Philosophy.
{{Settori della Fisica}}
{{Meccanica statistica}}
{{Controllo di autorità}}
{{Portale|meccanica|termodinamica}}
[[Categoria:Meccanica statistica| ]]
[[Categoria:Termodinamica]]
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