先に学ぶ内容熱と温度、熱機関分子の運動から圧力を導く

状態の数とエントロピー

初めは同じ振動数の振動子をA⁠に1⁠個、B⁠に3⁠個置く。全体のエネルギー6ε⁠を分け合う。

熱平衡で、A⁠のエネルギーが0⁠になる確率は?

式から現象を説明する

  1. 1エネルギーの配り方を数えるW全=⁠q+N−1Cq……
  2. 2A⁠の量子数ごとに配り方を数えるP(k)=⁠WA(k)×⁠WB(6 − k)/⁠W全……
  3. 3多数の振動子を持つ2⁠つの固体で、配り方を数えるW(qA)=⁠WA(qA) × WB(q − qA)……
  4. 4対数をとり、エントロピーを定義するS=⁠kB ln W……
  5. 5エントロピーの増え方と温度を結び付ける1T=⁠∂S∂E……
  6. ここから発展:熱の向きと分子の分布を導く
  7. 6熱の流れる向きを出すdS=⁠(1TB − 1TA) dE> 0……
  8. 7小さな系の確率を出すpi∝e−Ei/kB T……
  9. 8分子の速さの分布を出すf(v)∝v² e−m v²/2kB T……
  10. 9確率の合計が1⁠になるようにし、平均エネルギーを求めるZ = Σi e−Ei/kB T⁠,⟨E⟩ = −∂ ln Z∂β……