Ehrenfest Kutuları ve Tersinmezlik: Entropi Neden Artar?
Ehrenfest modeli (köpek–pire modeli): iki kutuda toplam $N$ top var. Her adımda $N$ toptan biri rastgele seçilip öbür kutuya atılır. Kurallar zamanda tersinirdir, ama sol kutudaki top sayısı $n_L$ hemen her zaman $N/2$'ye doğru gider. Makrodurum $n_L$'nin çokluğu ve entropisi $$\Omega(n_L) = \binom{N}{n_L},\qquad S = k\ln\Omega,\qquad P(n_L) = \frac{1}{2^N}\binom{N}{n_L}.$$ Ortalama, başlangıç değerinden üstel olarak dengeye yaklaşır: $\langle n_L(t)\rangle - \tfrac N2 = \left(n_L(0) - \tfrac N2\right)\left(1 - \tfrac 2N\right)^t$.
Tekrar (Poincaré–Kac): sistem başladığı duruma mutlaka geri döner; $n$ durumuna ortalama dönüş süresi $\tau(n) = 2^N/\binom{N}{n}$ adımdır. Tüm topların solda olduğu durum için $\tau = 2^N$: $N = 10$ için 1024 adım, $N = 100$ için $\approx 1.3\times10^{30}$ adım. Tersinmezlik, kuralların değil, olasılıkların sonucudur.
Makroskopik genleşme ile bağlantı
İdeal gazın hacmi $V_1$'den $V_2 = rV_1$'e çıkınca her molekül için konum sayısı $r$ katına çıkar: $\Delta S = Nk\ln r = nR\ln r$. Bu sistem entropisi değişimi, süreç nasıl yapılırsa yapılsın aynıdır (durum fonksiyonu). Süreç türünü belirleyen, çevrenin entropi değişimi ve dolayısıyla $\Delta S_{\text{evren}} = \Delta S_{\text{sis}} + \Delta S_{\text{çevre}} \ge 0$ eşitsizliğidir (Clausius: $dS \ge \delta Q/T$).
Parametreler
Hesaplama
Bunu dene
1. $N = 10$ seçin ve birkaç kez "+10⁶ adım"a basın. Ölçülen ortalama dönüş süresini (tüm toplar solda) Kac formülüyle karşılaştırın. Sonra $N = 20$ deneyin. $N = 100$ için saniyede $10^6$ adımla dönüşü ne kadar beklerdiniz?
Açıklama
2. $N = 50$ ile başlatın ve $t = 25$ adımdaki $n_L$ değerini okuyun (adım adım ilerletmek için hızı düşürün). Dengede $n_L$ hangi aralıkta dalgalanır?
Açıklama
3. Genleşme modunda $n = 1$ mol, $T = 300$ K, $V_2/V_1 = 2$ seçin. Üç süreç için $W$, $Q$ ve $\Delta S_{\text{evren}}$ değerlerini karşılaştırın. Ani genleşmede "kaybedilen iş" nedir?