В квантовой физике тождественные (т. е. имеющие одинаковые заряд, массу, спин) частицы неразличимы. Это приводит к специфике в свойствах частиц, описываемых симметричными и антисимметричными волновыми функциями. Частицы, имеющие нулевой или целочисленный спин (фотоны, фононы) описываются симметричными волновыми функциями. Эти частицы называются бозонами. Их число в элементарной ячейке фазового пространства неограниченно. Частицы с полуцелым спином (электрон, протон, нейтрон) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняется принципу Паули. Эти частицы называются фермионами. В состоянии, которое характеризуется одним и тем же набором квантовых чисел, может находиться только один фермион. Таким образом, в одной элементарной фазовой ячейке может находиться два фермиона с противоположно направленными спинами.
Для описания квантовых
подсистем применение распределения Гиббса позволяет определить вероятность
нахождения го состояния квантовой подсистемы
с энергией
по
формуле:
где
свободная
энергия квантовой подсистемы. Ее величину можно найти из условия нормировки
функции
.
Распределение Гиббса
описывает распределение вероятности различных состояний подсистемы,
составляющей малую квазинезависимую часть произвольной системы, находящейся в
состоянии статистического равновесия, поэтому температура характеризует также свойства
подсистемы – термостата, а не только системы (
).
Дискретный характер
распределения энергии частиц в квантовой механике приводит к наличию некоторого
количества состояний , соответствующих элементу
фазового пространства:
где
плотность
состояний (число дискретных квантовых состояний в единице объема фазового
пространства), определяемая по формулам (3,4).
Для изолированной системы пренебрегают энергией взаимодействия между подсистемой и системой (термостатом). Однако в силу закона сохранения энергии, энергия подсистемы однозначно связана с энергией термостата.
Согласно первому началу
термодинамики при условии постоянства частиц в системе изменение внутренней
энергии квазизамкнутой подсистемы возможно в
результате изменения ее температуры
и совершения ею
работы:
. Для обратимых процессов с учетом
второго начала термодинамики изменение энергии подсистемы определяется как
, где dS – изменение энтропии.
Если число частиц в подсистеме изменяется, то при
расчете следует учесть также увеличение (уменьшение) внутренней энергии, связанное
с увеличением (уменьшением) числа ее частиц
,
т.е.
где
химический
потенциал. Химический потенциал
численно равен
увеличению внутренней энергии термоизолированной равновесной подсистемы при
увеличении числа ее частиц на единицу. Если объем и энтропия
не изменяются (
)
то
, или
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.