正则分布及其在热物理学中的应用
1. 正则分布基础
正则分布是热物理学中的一个重要概念。对于系统(S),其概率分布可表示为:
[dP_S = C e^{-\frac{H^S(p,q)}{k_B T}} d\Gamma_S \equiv \rho d\Gamma_S]
其中(\rho(p, q) = C e^{-\frac{H^S(p,q)}{k_B T}})为无量纲的正则分布函数。为简化表示,后续去掉(S),用(d\Gamma)代替(d\Gamma_S),并引入(\beta = \frac{1}{k_B T})。
正则分布的表达式为:
[\rho = \frac{e^{-\beta H(p,q)}}{\int e^{-\beta H(p,q)} d\Gamma}]
分母(Z = \int e^{-\beta H(p,q)} d\Gamma)是配分函数,它确保了(\rho)在(\Gamma)空间上的积分等于(1)。任意物理量(A(p, q))的正则平均值为:
[\overline{A} = \frac{1}{Z} \int e^{-\beta H(p,q)} A(p, q) d\Gamma]
若系统由两个独立部分组成,即(H^S = H_1 + H_2),则(\rho = \rho_1\rho_2),两部分各自有其正则分布。自由能的正则定义为(F = -k_B T \log(Z)),而正则熵对于任何系统都可表示为:
[\frac{S_m}{k_B} = -\sum_{i} p_i \log(p_i)]
其中(p_i)是系统处于微观状态(i)的概率。
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