Az entrópia statisztikus értelmezése

Hasonló dokumentumok
Általános esetben az atomok (vagy molekulák) nem függetlenek, közöttük erős

,...,q 3N és 3N impulzuskoordinátával: p 1,

A TERMODINAMIKA MIKROSZKOPIKUS ÉRTELMEZÉSE: A STATISZTIKUS TERMODINAMIKA ALAPJAI

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

METROLÓGIA ÉS HIBASZÁMíTÁS

A kanonikus sokaság. :a hőtartály energiája

Az elektromos kölcsönhatás

Bevezetés a kémiai termodinamikába

Rozner Bence Péter. Diszkrét matematikai modellek és néhány alkalmazásuk a természettudományokban. Eötvös Loránd Tudományegyetem

d(f(x), f(y)) q d(x, y), ahol 0 q < 1.

Dr. Ratkó István. Matematikai módszerek orvosi alkalmazásai Magyar Tudomány Napja. Gábor Dénes Főiskola

KOMBINATORIKA ELŐADÁS osztatlan matematika tanár hallgatók számára. Szita formula

Egy negyedrendű rekurzív sorozatcsaládról

Hipotézis vizsgálatok. Egy példa. Hipotézisek. A megfigyelt változó eloszlása Kérdés: Hatásos a lázcsillapító gyógyszer?

Fuzzy rendszerek. A fuzzy halmaz és a fuzzy logika

Termodinamika. Belső energia

s n s x A m és az átlag Standard hiba A m becslése Információ tartalom Átlag Konfidencia intervallum Pont becslés Intervallum becslés

Statisztika I. 3. előadás. Előadó: Dr. Ertsey Imre

Statisztikai próbák. Ugyanazon problémára sokszor megvan mindkét eljárás.

ORVOSI STATISZTIKA. Az orvosi statisztika helye. Egyéb példák. Példa: test hőmérséklet. Lehet kérdés? Statisztika. Élettan Anatómia Kémia. Kérdések!

Példák ekvivalencia relációra (TÉTELként kell tudni ezeket zárthelyin, vizsgán):

Műszaki folyamatok közgazdasági elemzése. Kevert stratégiák és evolúciós játékok

Fermi Dirac statisztika elemei

2 Wigner Fizikai Kutatóintézet augusztus / 17

1.Tartalomjegyzék 1. 1.Tartalomjegyzék

BUDAPESTI MŰ SZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM KÖZLEKEDÉSMÉRNÖKI ÉS JÁRMŰMÉRNÖKI KAR VASÚTI JÁRMŰVEK ÉS JÁRMŰRENDSZERANALÍZIS TANSZÉK

8. Programozási tételek felsoroló típusokra

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

4 2 lapultsági együttható =

VARIANCIAANALÍZIS (szóráselemzés, ANOVA)

VÁLASZOK A FIZKÉM I ALAPKÉRDÉSEKRE, KERESZTÉVFOLYAM 2006

2. Energodinamika értelmezése, főtételei, leírási módok

+ - kondenzátor. Elektromos áram

Elektrokémia 03. Cellareakció potenciálja, elektródreakció potenciálja, Nernst-egyenlet. Láng Győző

A gáz halmazállapot. A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

A sokaság/minta eloszlásának jellemzése

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Tiszta és kevert stratégiák

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

January 16, ψ( r, t) ψ( r, t) = 1 (1) ( ψ ( r,

Biostatisztika e-book Dr. Dinya Elek

Philosophiae Doctores. A sorozatban megjelent kötetek listája a kötet végén található

1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és a zárt termodinamikai

/11 Változtatások joga fenntartva. Kezelési útmutató. UltraGas kondenzációs gázkazán. Az energia megőrzése környezetünk védelme

Fizika II. (Termosztatika, termodinamika)

KLASSZIKUS TERMODINAMIKA

A Ga-Bi OLVADÉK TERMODINAMIKAI OPTIMALIZÁLÁSA

oktatási segédlet Kovács Norbert SZE, Gazdálkodástudományi tanszék október

Hajdú Angéla

Support Vector Machines

NKFP6-BKOMSZ05. Célzott mérőhálózat létrehozása a globális klímaváltozás magyarországi hatásainak nagypontosságú nyomon követésére. II.

Termodinamikai bevezető

Termodinamika (Hőtan)

I. A közlekedési hálózatok jellemzői II. A közlekedési szükségletek jellemzői III. Analitikus forgalom-előrebecslési modell

A mágneses tér energiája, állandó mágnesek, erőhatások, veszteségek

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

MŰSZAKI TUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA. Napkollektorok üzemi jellemzőinek modellezése

Hálózat gazdaságtan. Kiss Károly Miklós, Badics Judit, Nagy Dávid Krisztián. Pannon Egyetem Közgazdaságtan Tanszék jegyzet

Szimmetriák, pontcsoportok, Bravais-rácsok

1. AZ ENERGIAÁTALAKULÁS TÖRVÉNYEI, BIOENERGETIKA

A kvantum-információelmélet alapjai

I. posztulátum: A magukra hagyott makroszkopikus rendszerek kellően hosszú idő után a termodinamikai egyensúly állapotába kerülnek.

Véletlenszám generátorok. 5. előadás

1 Műszaki hőtan Termodinamika. Ellenőrző kérdések-02 1

Számelméleti alapfogalmak

Turbulens áramlás modellezése háromszög elrendezésű csőkötegben

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

A bankközi jutalék (MIF) elő- és utóélete a bankkártyapiacon. A bankközi jutalék létező és nem létező versenyhatásai a Visa és a Mastercard ügyek

v i = v i V. (1) m i m i (v i V) = i P = i m i V = m i v i i A V = P M

Elektromos zajok. Átlagérték Időben változó jel átlagértéke alatt a jel idő szerinti integráljának és a közben eltelt időnek a hányadosát értik:

Digitális tananyag a fizika tanításához

Hely és elmozdulás - meghatározás távolságméréssel

MEGBÍZHATÓSÁG-ELMÉLET

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

A TERMODINAMIKA II., III. ÉS IV. AXIÓMÁJA. A termodinamika alapproblémája

Minősítéses mérőrendszerek képességvizsgálata

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

2. személyes konzultáció. Széchenyi István Egyetem

Nyeregetetős csarnokszerkezetek terhei az EN 1991 alapján

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TERMODINAMIKA az egyensúlyok és folyamatok tudománya

Véletlen gráfok szerkesztésekor n csomópontból indulunk ki. p valószínűséggel két csomópontot éllel kötünk össze.

(eseményalgebra) (halmazalgebra) (kijelentéskalkulus)

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Elemi szelekciós elmélet

Szilárd testek sugárzása

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

Mechanizmus-tervezés: szociális jóléti függvény nem kooperatív (versengő) ágensek. A megegyezés keresése és elérése: Tárgyalás (Negotiation)

Felhasznált irodalom: Puskás Ágnes Ultrahang Hanglencsék

ELTE II. Fizikus, 2005/2006 I. félév KISÉRLETI FIZIKA Hıtan 15. (XII.14) Irreverzibilis termodinamika Diffúzió

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Megjegyzések (észrevételek) a szabad energia és a szabad entalpia fogalmához

AZ IONKONCENTRÁCIÓ POTENCIOMETRIÁS MEGHATÁROZÁSA IONSZELEKTÍV ELEKTRÓDOK ALKALMAZÁSÁVAL

II. Rákóczi Ferenc Kárpátaljai Magyar Fıiskola. Pataki Gábor. STATISZTIKA I. Jegyzet

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Gázok. Boyle-Mariotte törvény. EdmeMariotte ( ) Robert Boyle ( ) Adott mennyiségű ideális gázra: pv=állandó. két állapotra: p 1 V 1

SZÁMOLÁSI FELADATOK. 2. Mekkora egy klíma teljesítménytényező maximális értéke, ha a szobában 20 C-ot akarunk elérni és kint 35 C van?

Átírás:

Az entrópa statsztkus értelmezése A tapasztalat azt mutatja hogy annak ellenére hogy egy gáz molekulá egyed mozgást végeznek vselkedésükben mégs szabályszerűségek vannak. Statsztka jellegű vselkedés szabályok lézeznek amelyek a gáz makroszkopkus vselkedését meghatározzák. Ilyen például hogy a térfogatot egyenletesen töltk k vagy hogy az edény falára adott körülmények között meghatározott nyomást fejtenek k. A statsztkus mechanka a sok részecskéből álló rendszerek vselkedésének lyen általános statsztka elemzése alapján ad magyarázatot a rendszer vselkedésére és lehetővé tesz a rendszer makroszkopkus jellemzőnek meghatározását. A legvalószínűbb állapot módszere A rendszer vselkedésének statsztkus leírására az egyk lehetséges módszer az hogy megvzsgáljuk a rendszer különböző állapotanak előfordulás valószínűségét és feltételezzük hogy a valóságban a legvalószínűbb állapot következk be. A módszert a legvalószínűbb állapot módszerének nevezk. Vegyünk egy egyszerü példát a molekulák térbel eloszlását külső erőtér nélkül. Ekkor azt az eljárást követjük hogy a gáztérfogatot felosztjuk ks egyenlő nagyságú térfogatelemekre ún. cellákra és a molekuláknak a cellák között eloszlását vzsgáljuk. Tegyük fel hogy a térfogatot M számú cellára osztottuk fel és a molekulák összes száma. Legyen M a cellák száma elég nagy ahhoz hogy statsztkus megközelítést alkalmazhassuk. Makroszkopkus szempontból csak az érdekes hogy a molekulák szám szernt hogyan oszlanak el a cellákban vagys mlyenek az egyes cellákban található molekulák számát megadó 1 2 3... M számok. Az ezekkel a számokkal jellemzett eloszlást a rendszer egy makroállapotának nevezzük. Ha mnden egyes molekulát megnevezünk és azt s megadjuk hogy melyk molekula melyk cellában van akkor egy részletesebb állapotleírást adunk az lyen módon jellemzett molekula-eloszlás a rendszer egy mkroállapotát adja meg. A makroszkopkusan mérhető egyensúly eloszlást az a makroállapot adja meg amelyet a legtöbb mkroállapot valósít meg. részecskét kell elhelyeznünk. Kérdés hogy hányféleképpen lehet? Az első részecskét helyre helyezhetjük tehát féleképpen lehet elhelyezn. A másodk (-1)-féleképpen helyezhető el az első két molekula (-1) elhelyezés lehetőségének mndegykéhez a harmadk (-3)-féleképpen helyezhető el stb. Így az összes elhelyezés lehetőségek száma! lesz. Ezután tekntsünk egy adott cellát. A m szempontunkból teljesen mnden hogy hogyan töltöttük fel a cellát azaz az részecske helyet mlyen sorrendben töltjük fel csak az szémít hogy az -k cellába részecske került. Másképpen fogalmazva egy cellán belül a molekulák felcserélése nem jelent új mkroállapotot. Ebben az esetben s! számu lehetőség van hasonlóan az elöbbhez.

Az adott 1 2 3... M eloszlással jellemzett makroállapotot megvalósító mkroállapotok W száma tehát: Ezt a mennységet (W) az adott állapot termodnamka valószínűségének nevezk. em összetévesztendő a matematka valósznüséggel am 0 és 1 közés eső szám ez tetszöleges poztv egész szám lehet. A legvalószínűbb eloszlást ezek után úgy lehet megállapítan hogy megkeressük a függvény szélsőértékét. Vszont van egy kényszerfeltétel hogy a részecskék száma állandó azaz. Ez egy mellékfeltételt jelent a a szélsőértékszámításnál. Matematka formába öltve: 1 + 2 + 3... + M =. A számításnál problémát okoz a faktoráls mvel ez nem közönséges függvény. A faktorálssal való számolás elkerülését az tesz lehetővé hogy a faktoráls logartmusára smerünk egy analtkus közelítést az ún. Strlng-féle formulát amely szernt nagy értékeknél ln! = ln A közeltő formula bzonyítása nagyon egyszerü mert ha az ( ln1 + ln2 + ln3 +...ln ) mennységet tekntjük akkor ez közeltőleg egyenlő az ln x 0 és között határozatlan ntegráljával. Ha tehát W helyett az lnw függvényt vzsgáljuk akkor könnyen kezelhető analtkusan a a fent kfejezés. Ez megtehető hszen a logartmus monoton függvény ezért szélsőértéke ugyanott van mnt a W függvényé. A Strlngformula alkalmazásával az lnw függvényre azt kapjuk hogy A szélsőérték-számítás a Lagrange-féle multplkátoros módszerrel történk amelynek lényege a következő. A szélsőérték helyén érvényes hogy az lnw bármlyen megváltozása nulla azaz lnw lnw d lnw d1 d 2 1 2 lnw... d 0

másrészt a feltétel egyenletre fennáll hogy d 1 + d 2 + d 3... + d M = 0 Ez utóbb egyenletet a feltételes szélsőértékszámítás szabálya szernt egy szorzóval megszorozva és hozzáadva az első egyenlethez azt kapjuk hogy lnw lnw lnw d lnw d1 d 2... d 0. 1 2 Mvel tt a d megváltozások már függetlenek egymástól a kfejezés csak úgy lehet mndg nulla ha mnden -re fennáll hogy a zárójelen belül nulla azaz Mvel lnw 0 lnw a kettőt összevetve végül azt kapjuk hogy Itt a Lagrange féle állandó így ln exp. 1 = 2 = 3 =...= M Ez azt jelent hogy a legvalószínűbb az egyenletes eloszlás amkor mnden cellában azonos számú molekula van. A Maxwell-Boltzmann-eloszlás Az elöbb leírt módszerrel meghatározható a részecskék energa szernt eloszlása s. Tegyük fel hogy a részecskék energával rendelkeznek és osszuk fel az előforduló energa-ntervallumot számú részntervallumra. Célunk annak meghatározása hogyan oszlanak el a molekulák az energacellák között. Jelöljük az -edk cella energáját E -vel és az egyszerűbb szóhasználat kedvéért mondjuk azt hogy az lyen energájú részecske az -edk állapotban van. A legvalószínűbb állapot módszerének segítségével a molekuláknak az állapotokon való 1 2 3... eloszlását smét a W termodnamka valószínűség maxmumának megkeresésével kaphatjuk meg. A termodnamka

valószínűség most s ugyanaz mnt az előző esetben a részecskeszám összegére vonatkozó 1 állandó mellékfeltétel mellett azonban még egy az energa-megmaradás tételét kfejező 1 E E állandó feltétel s megjelenk gy a 2 feltétel matt 2 Lagrange féle multplkátor jelenk meg a megoldas során. Ismét lnw maxmumát keresve a Strlng-formulát és a Lagrange-féle multplkátoros módszert alkalmazva az eloszlásra az Aexp E kfejezést kapjuk (A és állandók). Az A konstans a feltételből határozható meg: Bevezetve a A 1 1 exp Z exp jelölést az energa szernt eloszlásra azt kapjuk hogy E E E. exp. Z 1 normálás Az tt bevezetett Z mennység a részecske állapotösszege. Kmutatható hogy a állandó recproka arányos a rendszer abszolút hőmérsékletével az arányosság tényező pedg éppen a k Boltzmann-állandó vagys Ezzel az eloszlás az 1. kt Z E exp kt alakot ölt. Ez a Maxwell Boltzmann-eloszlás amely az energa dszkrét értéke szernt eloszlást egyaránt megadja. A Boltzmann-féle entrópa

Az egyensúly állapotban az entrópa értéke maxmáls. A termodnamka valószínűségre szntén az jellemző hogy zolált rendszerben a folyamatok során értéke nő. Ennek alapján várható hogy az entrópa és a termodnamka valószínűség összefügg az entrópa a termodnamka valószínűségnek monoton függvénye. A függvény alakja a két mennység tulajdonsága alapján állapítható meg. Egy kettéosztott rendszerben az összentrópa a két részrendszer entrópájának összege: S = S 1 + S 2 a teljes rendszer egyensúly állapotához tartozó termodnamka valószínűség vszont a részrendszerek termodnamka valószínűségenek szorzata: W = W 1 W 2 A két mennység között összefüggésnek teljesíten kell a fent követelményeket. Könnyen belátható hogy lyen tulajdonságú a logartmusfüggvény: S = k B lnw ahol a k B konstans elmélet úton határozható meg. Az entrópának ez a kfejezése Boltzmanntól származk ak az állandót s megadta: ez éppen a róla elnevezett Boltzmann-állandó. Ezt az entrópa-kfejezést Boltzmann-féle entrópának nevezk.