İki Einstein Katısı: Mikrodurumlar, Entropi ve Sıcaklık
Einstein katısı, enerji kuantumu $\varepsilon = \hbar\omega$ olan $N$ özdeş harmonik salınıcıdan oluşur. $q$ kuantumun $N$ salınıcıya dağıtılma sayısı (çokluk): $$\Omega(N, q) = \binom{q + N - 1}{q} = \frac{(q+N-1)!}{q!\,(N-1)!}.$$ İki katı ($N_A$, $N_B$) toplam $q$ kuantumu paylaşırsa, her mikrodurum eşit olasılıklıdır (temel varsayım). Bu yüzden $q_A$ makrodurumunun olasılığı $P(q_A) \propto \Omega_A(q_A)\,\Omega_B(q - q_A)$ olur ve büyük sistemlerde çok keskin bir tepe verir.
Entropi $S = k\ln\Omega$. Tepede $\ln(\Omega_A\Omega_B)$ en büyüktür, yani $$\frac{\partial S_A}{\partial U_A} = \frac{\partial S_B}{\partial U_B} \quad\Longrightarrow\quad \frac{1}{T} \equiv \frac{\partial S}{\partial U}\ \text{ iki katıda eşittir.}$$ Isıl denge, sıcaklıkların eşitlenmesidir; ısı, entropiyi artıracak yönde (sıcaktan soğuğa) akar.
Büyük N için kapalı sıcaklık formülü
Stirling yaklaşımıyla $\dfrac{\varepsilon}{kT} = \dfrac{\partial\ln\Omega}{\partial q} \approx \ln\!\left(1 + \dfrac{N}{q}\right)$, yani $\langle n\rangle = \dfrac{q}{N} = \dfrac{1}{e^{\varepsilon/kT} - 1}$ (Planck doluluğu).
Parametreler
Üstteki grafiğe tıklayarak q_A değerini seçebilirsiniz.
Hesaplama
Küçük sistemler için Ω(N, q) tablosu
Bunu dene
1. $N_A = 3$, $N_B = 3$, $q = 6$ seçin. Tüm makrodurumların çokluklarını tablodan/grafikten okuyun. Toplam mikrodurum sayısı kaç? En olası makrodurumun olasılığı nedir?
Açıklama
2. $N_A = N_B = 300$, $q = 300$ seçin ve $q_A$'yı tepeye getirin. $kT_A/\varepsilon$ ile $kT_B/\varepsilon$'yi karşılaştırın. Tepeden 20 kuanta sola kaydığınızda olasılık oranı kaç kat düşer?
Açıklama
3. Dinamik görünümde $N_A = 100$, $N_B = 300$, $q = 200$ ve başlangıçta tüm kuantaları A'ya verin. Hangi katı başlangıçta "sıcak"? Denge durumunda $q_A$ ne olur? Sonra tüm sayıları 1/10'a indirip dalgalanmaları karşılaştırın.