統計力學一:系綜
微正則系綜
這是描述一個完全孤立系統的系綜:固定能量、固定體積、固定粒子數,與外界毫無任何交換。想像一團氣體,封在一個剛硬、完美絕熱、密閉的盒子裡。每一個具有允許能量的微觀態,都與其他微觀態站在完全平等的地位上。
巨觀態的常數是 E、V、N。依基本假設,那 W(E, V, N) 個可及微觀態——能量全落在 E 到 E + dE 這層薄殼內——每一個都帶有相等機率 1/W。通往熱力學的橋樑是波茲曼熵 S(E, V, N) = k_B ln W,溫度、壓力與化學勢由此而來:1/T = (dS/dE)_{V,N}、P/T = (dS/dV)_{E,N}、-mu/T = (dS/dN)_{E,V}。
在觀念上,微正則系綜是根基;其他每一種系綜都是由它出發、允許與熱庫交換而導出的。實務上它卻是最難計算的,因為在能量恰好固定下數態很棘手,所以人們通常改用正則系綜。在熱力學極限下,所有系綜給出相同的平均值——這種等價性即使在各系綜漲落不同時仍然成立。
N 個理想氣體分子封在體積 V、剛硬絕熱、總能量固定為 E 的盒子裡:計算能量殼上的相空間體積,便得出薩庫爾-特羅德熵。
固定 E、V、N 正是 S = k_B ln W 最直接適用的場景。
能量只固定在一層薄殼 dE 之內,而非固定到一個數學上的點;熵對 dE 不敏感,因為殼體積的對數由其巨大的指數主宰,而非由薄薄的寬度主宰。
又称
另见