8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

Benzer belgeler
8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

İstatistiksel Mekanik I

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

İstatistiksel Mekanik I

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

İstatistiksel Mekanik I

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

MIT Açık Ders Malzemesi İstatistiksel Mekanik II: Alanların İstatistiksel Fiziği 2008 Bahar

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

8.04 Kuantum Fiziği Ders XII

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 17 RİJİT ROTOR

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

İleri Diferansiyel Denklemler

Akışkanların Dinamiği

LİNEER DALGA TEORİSİ. Page 1

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

1. HAFTA Giriş ve Temel Kavramlar

Enerji iş yapabilme kapasitesidir. Kimyacı işi bir süreçten kaynaklanan enerji deyişimi olarak tanımlar.

E = U + KE + KP = (kj) U = iç enerji, KE = kinetik enerji, KP = potansiyel enerji, m = kütle, V = hız, g = yerçekimi ivmesi, z = yükseklik

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

Termal Genleşme İdeal Gazlar Isı Termodinamiğin 1. Yasası Entropi ve Termodinamiğin 2. Yasası

Termodinamik Termodinamik Süreçlerde İŞ ve ISI

Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

Bölüm 1: Lagrange Kuramı... 1

Bölüm 2. Sıcaklık ve Gazların Kinetik Teorisi. Prof. Dr. Bahadır BOYACIOĞLU

İleri Diferansiyel Denklemler

FİZ304 İSTATİSTİK FİZİK. Mikrokopik Teori ve Makroskopik Ölçümler I. Prof.Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi, Fizik Bölümü 2017

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

MIT Açık Ders Malzemesi İstatistiksel Mekanik II: Alanların İstatistiksel Fiziği 2008 Bahar

Kısa İçindekiler. Fizik: İlkeler ve Pratik Cilt 1: 1-21 Bölümleri, Cilt 2: Bölümleri kapsar

Bekleme Hattı Teorisi

KİNETİK GAZ KURAMI. Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE Kimya Bölümü Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi 1

FİZ304 İSTATİSTİK FİZİK. Klasik Yaklaşımda Kanonik Dağılım I. Prof.Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi, Fizik Bölümü 2017

ELEKTRİKSEL POTANSİYEL

İ çindekiler. xvii GİRİŞ 1 TEMEL AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ BERNOULLİ DENKLEMİ 68 AKIŞKANLAR STATİĞİ 32. xvii

MIT Açık Ders Malzemeleri Fizikokimya II 2008 Bahar

İleri Diferansiyel Denklemler

MIT OpenCourseWare Ekonomide İstatistiksel Yöntemlere Giriş Bahar 2009

İleri Diferansiyel Denklemler

Akışkanların Dinamiği

8.04 Kuantum Fiziği Ders IV. Kırınım olayı olarak Heisenberg belirsizlik ilkesi. ise, parçacığın dalga fonksiyonu,

A A = A 2 x + A 2 y + A 2 z (1) A A. Üç-boyutlu uzayda, iki tane vektörü kartezyen koordinatlarda dikkate alalım: A = Axˆx + A y ŷ + A z ẑ,

Akışkan Kinematiği 1

Gazların sıcaklık,basınç ve enerji gibi makro özelliklerini molekül kütlesi, hızı ve sayısı gibi mikroskopik özelliklerine bağlar.

FİZ304 İSTATİSTİK FİZİK VE TERMODİNAMİK. Mikrokopik Teori ve Makroskopik Ölçümler I. Prof.Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi, FizikBölümü 2017

Fiziksel bir olayı incelemek için çeşitli yöntemler kullanılır. Bunlar; 1. Ampirik Bağıntılar 2. Boyut Analizi, Benzerlik Teorisi 3.

Kuantum Mekaniğinin Varsayımları

VEKTÖR UZAYLARI 1.GİRİŞ

İleri Diferansiyel Denklemler

İleri Diferansiyel Denklemler

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

İleri Diferansiyel Denklemler

ENİNE DEMET DİNAMİĞİ. Prof. Dr. Abbas Kenan Çiftçi. Ankara Üniversitesi

O )molekül ağırlığı 18 g/mol ve 1g suyun kapladığı hacimde

İleri Diferansiyel Denklemler

elde ederiz. Bu son ifade yeniden düzenlenirse,

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

ITAP Fizik Olimpiyat Okulu

BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR

Bu durumu, konum bazında bileşenlerini, yani dalga fonksiyonunu, vererek tanımlıyoruz : ) 1. (ikx x2. (d)

8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

Vakum Teknolojisi * Prof. Dr. Ergun GÜLTEKİN. İstanbul Üniversitesi Fen Fakültesi

Kompozit Malzemeler ve Mekaniği. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Elastisite Teorisi Hooke Yasası Normal Gerilme-Şekil değiştirme

HİDROLİK. Yrd. Doç. Dr. Fatih TOSUNOĞLU

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

MIT Açık Ders Malzemesi İstatistiksel Mekanik II: Alanların İstatistiksel Fiziği 2008 Bahar

Newton un F = ma eşitliğini SD den türete bilir miyiz?

Bölüm 9: Doğrusal momentum ve çarpışmalar

İleri Diferansiyel Denklemler

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü-Fizik Bölümü

x 0 = A(t)x + B(t) (2.1.2)

H(t) + O(ɛ 2 ) var. Yukarıda U(t + ɛ, t) için elde ettiğimiz sonucumuzu bu ifadede yerine koyunca her iki tarafı. = H(t)U(t, t 0 )

FİZ304 İSTATİSTİK FİZİK VE TERMODİNAMİK. Genel Termodinamik Etkileşme II. Prof.Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi, FizikBölümü 2017

DENEY 4 ÇARPIŞMALAR VE LİNEER MOMENTUMUN KORUNUMU

İnstagram:kimyaci_glcn_hoca GAZLAR-1.

DİNAMİK - 7. Yrd. Doç. Dr. Mehmet Ali Dayıoğlu Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi. Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 1: MADDESEL NOKTANIN KİNEMATİĞİ

İleri Diferansiyel Denklemler

BÖLÜM 24 PAULI SPİN MATRİSLERİ

2. REGRESYON ANALİZİNİN TEMEL KAVRAMLARI Tanım

Transkript:

MIT Açık Ders Malzemeleri http://ocw.mit.edu 8.333 İstatistiksel Mekanik I: Parçacıkların İstatistiksel Mekaniği 2007 Güz Bu materyallerden alıntı yapmak veya Kullanım Şartları hakkında bilgi almak için http://ocw.mit.edu/terms ve http://tuba.acikders.org.tr sitesini ziyaret ediniz. Sayfa 1

III. Gazların Kinetik Teorisi III.A Genel Tanımlar Kinetik teori, (klasik) hareket denklemlerinden başlayarak büyük sayıda parçacıkların makroskopik özelliklerini çalışır. Termodinamik makroskopik öznelerin denge davranışını, iş, ısı, ve entropi gibi kavramlar aracılığıyla tanımlar. Termodinamiğin olgusal yasaları bize, bir sistem dengeye ulaşırken bu niceliklerin nasıl kısıtlandıklarını söyler. Mikroskopik seviyede, bu sistemlerin, etkileşmeleri ve dinamikleri daha temel teorilerle makul derecede iyi anlaşılmış parçacıklardan (atomlar, moleküller) oluştuğunu biliyoruz. Eğer bu mikroskopik betimlemeler eksiksiz ise, makroskopik davranışları da açıklayabilmeliyiz, yani dengedeki makroskopik durum fonksiyonlarını yöneten yasaları türetebilmeliyiz. Kinetik teori bu amaca ulaşmaya çalışır. Özellikle, şu soruları yanıtlamaya çalışacağız: (1) Hareketli parçacıklar sisteminde denge yi nasıl tanımlayabiliriz? (2) Tüm sistemler, doğal olarak bir denge durumuna mı evrilirler? (3) Tam olarak dengede olmayan bir sistemin zaman içinde evrimi nedir? Çalışılacak en basit sistem, termodinamiğin hakiki yük beygiri olan seyreltik (neredeyse ideal) gazdır. Gazın tipik bir hacmi 10 23 mertebesinde parçacık içerir. Kinetik teori, gazın makroskopik özelliklerini, tekil atomik koordinatların hareketinden çıkarmaya çalışır. Herhangi bir t zamanında, N parçacıklı bir sistemin mikro durumu, tüm parçacıkların konumları ve momentumları belirtilerek tanımlanır. Dolayısıyla mikro durum, 6N boyutlu faz uzayında bir noktasına karşılık gelir. Bu noktanın zaman içinde evrimi şu kanonik denklemler uyarınca olur: burada Hamiltonyen koordinatlar,,, ve momentumlar,,, cinsinden toplam enerjiyi tanımlar. Mikroskopik hareket denklemleri zamanda tersinme simetrisine sahiptir, yani eğer tüm momentumlar t=0 anında birden tersine çevrilirse, p p, parçacıklar geldikleri yol üzerinden geri Sayfa 2

dönerler, q q. Bu özellik, Hamiltonyenin p, q p, q dönüşümü altında değişmez oluşundan gelir. Bir ideal gazın makro durumu, termodinamik olarak formüle edildiğinde, E, T, P, ve N gibi az sayıda durum fonksiyonu kullanılır. Makro durumların uzayı, mikro durumların doldurduğu faz uzayından çok daha küçüktür. Bu yüzden, aynı makro durum M ye karşılık gelen çok büyük sayıda mikro durum µ olmalıdır. Bu özellik, mikro durumların istatistiksel topluluğu kavramını getirir. Bir makro durumun tane kopyası olduğunu ve her bir kopyanın, faz uzayında bir başka temsili nokta ile tarif edildiğini düşünelim. p, q noktası etrafındaki sonsuzküçük. hacmindeki temsili noktaların sayısı olsun. Bir faz uzayı yoğunluğu, p, q,, şu şekilde tanımlanır: Bu nicelik, önceki bölümde tanımlanmış nesnel olasılık ile karşılaştırılabilir. Açıkça ve faz uzayında, uygun şekilde normalleştirilmiş, olasılık yoğunluğu fonksiyonudur. Çeşitli p, q fonksiyonlarının makroskopik değerlerini hesaplamak için topluluk ortalamalarını kullanacağız, Mikro durumu μ tam olarak belirtildiğinde, sistemin bir saf durumda bulunduğu söylenir. Öte yandan, sistem hakkındaki bilgimiz, Γ yoğunluğu olan bir topluluktan alınıyor anlamında olasılığa dayalı ise, sistemin bir karışık duruma sahip olduğu söylenir. Dengeyi bir saf durum bağlamında tanımlamak zordur, çünkü denklem (III.1) e göre μ(t) zaman içinde sürekli değişmektedir. Denge, daha uygun bir şekilde, karışık durumlar için, önümüzdeki bölümde tanıtılacak Liouville denklemiyle yönetilen, faz uzayı yoğunluğu ρ(t) nin zamana göre değişimini inceleyerek tanımlanabilir. III.B Liouville Teoremi Liouville Teoremi, faz uzayı yoğunluğu ρ(γ,t) nin bir sıkıştırılamaz akışkan gibi davrandığını ifade eder. İspat: p, q noktası etrafındaki sonsuzküçük Γ hacmindeki Sayfa 3

sayıdaki saf durumun hareketini takip edelim. Denklem (III.1) e göre, δt süre sonra bu durumlar başka bir p, q noktası civarına gitmiş olurlar, öyle ki, Yukarıdaki ifadede, ve 6N koordinat ve momentumun her birini, ve ise bunlara ait hızları temsil eder. Başlangıçtaki hacim elemanı Γ, kenarları ve olan bir hiper-küp şeklindedir. δt zaman aralığında biçim değiştirerek yeni hacim elemanının hesaplanan kenarları şöyledir: δt 2 mertebesine kadar, yeni hacim elemanı olur. Denklem (III.5) den her eşlenik koordinat çifti için şu yazılabilir: Ama koordinat ve momentumların zaman içindeki değişimleri kanonik denklemler (III.1) ile belirlendiğinden, ve Böylece, her koordinat çifti için denklem (III.6) daki izdüşüm alanı değişmez, ve dolayısıyla hacim elemanı etkilenmez: Γ Γ. Başlangıçta p, q noktası civarındaki saf durumları, p, q komşuluğuna taşınır ama tamamen aynı hacmi kaplar. / Γ oranı değişmeden kalır ve ρ sıkıştırılamaz bir akışkanın yoğunluğu gibi davranır. Sıkıştırılamama koşulu diferensiyel biçimde şöyle yazılabilir: ρ/ t ile dρ/dt arasındaki farka dikkat edilmelidir: İlki, kısmı türev, faz uzayının belli bir noktasında ρ daki değişimleri gösterir, sonraki, toplam türev ise, faz uzayında Sayfa 4

hareket eden bir akışkan hacminin değişimi gibidir. Denklem (III.1) denklem (III.8) de kullanılırsa, elde edilir. Burada, faz uzayındaki iki fonksiyonun Poisson parantezini kullandık: (1) Zaman tersinmesini, p, q, p, q,, uyguladığımızda, Poisson parantezi işaret değiştirir, ve denklem (III.9) gereğince yoğunluğun değişimi tersine döner, yani p, q, p, q,. (2) Denklem (III.3) te verilen topluluk ortalamasının zamana göre değişimi (denklem (III.9) kullanılarak) şöyle yazılabilir: Yukarıdaki eşitlikte, ρ nun kısmi türevleri, kısmi integral alma yöntemi ile giderilebilir, yani integralin sınırlarında ρ sıfır olduğundan. Böylece, Dikkat etmek gerekir ki, zamana göre türev integralin içine alınamaz, yani Sıkça yapılan bu hata sonucunu verir! (3) Eğer topluluğun üyeleri dengede bir makroskopik duruma karşılık geliyorsa, topluluk ortalamaları zamandan bağımsız olmalıdır. Bu, durağan bir yoğunluk tarafından sağlanabilir, ρ eq / t = 0, yani, Yukarıdaki denklemin olanaklı bir çözümü, ρ eq nun nin bir fonksiyonu olmasıdır, yani Bu durumda olduğunu Sayfa 5

göstermek kolaydır. Bu çözüm, faz uzayında, nin sabit enerji yüzeylerinde ρ nun değerinin sabit olmasını gerektirir. Bu, aslında istatistiksel mekaniğin temel varsayımıdır. Örneğin, mikrokanonik toplulukta, yalıtılmış bir sistemin toplam enerjisi E bellidir. O yüzden, topluluğun tüm üyeleri, faz uzayında yüzeyi üzerinde bulunmalıdır. Denklem (III.9) bu yüzey üzerinde sabit yoğunluktaki noktaların zamana göre durağan olmasını gerektirir. İstatistiksel mekaniğin varsayımı, makro durumun gerçekten de bu şekilde sabit yoğunlukta mikro durumlarla temsil edilmesidir. Bu ise, olasılığın denklem (III.2) deki nesnel ölçüsünün, bir öznel ölçüyle değiştirilmesine denktir. Hamiltonyenle ilişkili ve koşulunu sağlayan başka korunumlu nicelikler olabilir. Böyle niceliklerin bulunması durumunda, herhangi bir fonksiyon için biçiminde durağan bir yoğunluk vardır. Açıkça, sistemin zaman içinde evrimi sırasında L n nin değeri değişmez, çünkü Dolayısıyla, ρ eq nun bu niceliklere fonksiyonel bağımlılığı, sadece, tüm erişilebilir durumların, yani hiçbir korunum yasasını ihlal etmeyecek şekilde bağlantılı durumların, eşit oranda olası olduğunu gösterir. (4) ρ eq için yukarıda verilen postülat, bu bölümün başında ortaya konan birinci soruyu yanıtlar. Ancak, ikinci soruyu yanıtlamak ve istatistiksel mekaniğin temel varsayımını doğrulamak için, durağan olmayan yoğunlukların durayan çözüm ρ eq ya yakınsadığını göstermemiz gerekir. Bu ise, yukarıda (1) de bahsedilen zaman tersinmesi simetrisiyle çelişir. ρ eq ya yakınsayan her ρ(t) çözümü için, zaman tersine çevrildiğinde ρ eq dan ıraksayan bir çözüm de olmalıdır. Umulabilecek en iyi durum, ρ(t) çözümlerinin zamanın çoğunda ρ eq komşuluğunda bulunmaları ve böylece zamana göre ortalamalarda durağan çözümün baskın olmasıdır. Bu bizi, zamana göre ortalamalar yerine topluluk ortalamalarının kullanımını sorgulayan ergodiklik problemine getirir. Herhangi bir sistemin özelliklerini ölçerken denge topluluğunun Sayfa 6

sadece bir temsiliyle ilgileniriz. Oysa ki, çoğu makroskopik özellikler anlık değerlere sahip değildir ve bir biçimde ortalama alınması gerekir. Örneğin, bir gazın uyguladığı P basıncı, parçacıkların kabın duvarlarına çarpmasından oluşur. Farklı zaman ve konumlarda bu parçacıkların sayısı ve momentumları değişkendir. Ölçülen basınç, çok sayıda karakteristik mikroskopik zaman dilimi üzerinden alınan ortalamayı yansıtır. Eğer bu zaman ölçeği boyunca, sistemin temsili noktası gezinip, faz uzayındaki erişilebilir noktaları eşit oranda örneklerse, zamana göre ortalama yerine topluluk ortalamasını koyabiliriz. Az sayıda sistem için, ergodiklik teoremini, yani temsili noktanın yeterince uzun bir zamandan sonra, faz uzayındaki tüm erişilebilir noktaların dilediğimiz kadar yakınından geçeceğini ispatlamak mümkündür. Ancak, ispat genellikle, parçacık sayısı N ye göre üstel olarak büyüyen zaman aralıkları için geçerlidir, ve dolayısıyla ispatta öngörülen zaman aralığı, bir gazın basıncının tipik olarak ölçüldüğü sürelerden fazlasıyla uzundur. O derece ki, ergodiklik teoreminin şimdiye kadarki ispatlarının, makroskopik denge gerçeğiyle pek ilgisi yoktur. Sayfa 7