Wstęp do fizyki statystycznej: krytyczność i przejścia fazowe. Katarzyna Sznajd-Weron

Podobne dokumenty
Fizyka statystyczna i termodynamika Wykład 1: Wstęp. Katarzyna Sznajd-Weron Katedra Fizyki Teoretycznej

Równowaga w układach termodynamicznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Krytyczność, przejścia fazowe i symulacje Monte Carlo. Katarzyna Sznajd-Weron Physics of Complex System

Krytyczność i przejścia fazowe. Katarzyna Sznajd-Weron

Układ (fizyczny) Fizyka Systemów Złożonych (Physics of Complex Systems) Wyk 1: Wstęp

Wstęp do Fizyki Statystycznej

Elementy termodynamiki

= = Budowa materii. Stany skupienia materii. Ilość materii (substancji) n - ilość moli, N liczba molekuł (atomów, cząstek), N A

S ścianki naczynia w jednostce czasu przekazywany

Co to jest model Isinga?

Wstęp do Fizyki Statystycznej

FIZYKA STATYSTYCZNA. d dp. jest sumaryczną zmianą pędu cząsteczek zachodzącą na powierzchni S w

Wykład 8 i 9. Hipoteza ergodyczna, rozkład mikrokanoniczny, wzór Boltzmanna

Elementy termodynamiki i wprowadzenie do zespołów statystycznych. Katarzyna Sznajd-Weron

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

Występują fluktuacje w stanie równowagi Proces przejścia do stanu równowagi jest nieodwracalny proces powrotny jest bardzo mało prawdopodobny.

Elementy fizyki statystycznej

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Elementy termodynamiki

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

Wielki rozkład kanoniczny

Modele sieciowe fizyki statystycznej i symulacje Monte Carlo. Katarzyna Sznajd-Weron

FIZYKA STATYSTYCZNA. Liczne eksperymenty dowodzą, że ciała składają się z wielkiej liczby podstawowych

r. akad. 2005/ 2006 Jan Królikowski Fizyka IBC

Stany skupienia materii

1 Rachunek prawdopodobieństwa

Teoria kinetyczno cząsteczkowa

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Termodynamika cz. 2. Gaz doskonały. Gaz doskonały... Gaz doskonały... Notes. Notes. Notes. Notes. dr inż. Ireneusz Owczarek

Termodynamiczny opis przejść fazowych pierwszego rodzaju

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Rozkłady: Kanoniczny, Wielki Kanoniczny, Izobaryczno-Izotermiczny

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Termodynamika. Część 11. Układ wielki kanoniczny Statystyki kwantowe Gaz fotonowy Ruchy Browna. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

Szkła specjalne Przejście szkliste i jego termodynamika Wykład 5. Ryszard J. Barczyński, 2017 Materiały edukacyjne do użytku wewnętrznego

Termodynamika program wykładu

Podstawowe pojęcia Masa atomowa (cząsteczkowa) - to stosunek masy atomu danego pierwiastka chemicznego (cząsteczki związku chemicznego) do masy 1/12

Zasady termodynamiki

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Wykład FIZYKA I. 15. Termodynamika statystyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Układy otwarte, zamknięte i izolowane (termodynamiczne) Fizyka systemów złożonych wykład 1: Wstęp

Rozkłady statyczne Maxwella Boltzmana. Konrad Jachyra I IM gr V lab

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Kinetyczna teoria gazów Termodynamika. dr Mikołaj Szopa Wykład

Stany materii. Masa i rozmiary cząstek. Masa i rozmiary cząstek. m n mol. n = Gaz doskonały. N A = 6.022x10 23

Fizyka 14. Janusz Andrzejewski

Podstawy fizyki sezon 1 X. Elementy termodynamiki

Wykład 4. Przypomnienie z poprzedniego wykładu

Równanie gazu doskonałego

Klasyczna mechanika statystyczna Gibbsa I

Modelowanie Agentowe Układów Złożonych Wstęp. Katarzyna Sznajd-Weron

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Termodynamika. Cel. Opis układu niezależny od jego struktury mikroskopowej Uniwersalne prawa. William Thomson 1. Baron Kelvin

Wykład Praca (1.1) c Całka liniowa definiuje pracę wykonaną w kierunku działania siły. Reinhard Kulessa 1

Fizykochemiczne podstawy inżynierii procesowej

TERMODYNAMIKA FENOMENOLOGICZNA

Temperatura, ciepło, oraz elementy kinetycznej teorii gazów

Ciśnienie i temperatura model mikroskopowy

Teoria kinetyczna gazów

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

II Zasada Termodynamiki c.d.

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

Równowaga. równowaga metastabilna (niepełna) równowaga niestabilna (nietrwała) równowaga stabilna (pełna) brak równowagi rozpraszanie energii

I piętro p. 131 A, 138

TERMODYNAMIKA Zajęcia wyrównawcze, Częstochowa, 2009/2010 Ewa Mandowska

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Politechnika Wrocławska Katedra Fizyki Teoretycznej. Katarzyna Sznajd-Weron. Fizyka Statystyczna

Podstawy termodynamiki

Rzadkie gazy bozonów

Agata Fronczak Elementy fizyki statystycznej

Fizyka Statystyczna 1

Paramagnetyki i ferromagnetyki

ROZKŁAD MATERIAŁU Z FIZYKI W PIERWSZYCH KLASACH TECHNIKUM

PageRank. Bartosz Makuracki. 28 listopada B. Makuracki PageRank

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

Plan wykładu. Termodynamika cz. 2. Gaz doskonały... Gaz doskonały

Termodynamika Część 3

Plan wykładu. Termodynamika cz. 2. Gaz doskonały... Gaz doskonały

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

Temperatura jest wspólną własnością dwóch ciał, które pozostają ze sobą w równowadze termicznej.

Termodynamika cz.1. Ziarnista budowa materii. Jak wielka jest liczba Avogadro? Podstawowe definicje. Notes. Notes. Notes. Notes

Jednostki podstawowe. Tuż po Wielkim Wybuchu temperatura K Teraz ok. 3K. Długość metr m

Biofizyka. wykład: dr hab. Jerzy Nakielski. Katedra Biofizyki i Morfogenezy Roślin

Wariacyjna teoria grupy renormalizacji w opisie uczenia głębokiego czyli Deep

GAZ DOSKONAŁY. Brak oddziaływań między cząsteczkami z wyjątkiem zderzeń idealnie sprężystych.

Statystyki kwantowe. P. F. Góra

Entropia, demon Maxwella i maszyna Turinga

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

TERMODYNAMIKA I TERMOCHEMIA

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.2, Optyka, termodynamika, fale / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7. Warszawa, 2014.

Termodynamika. Energia wewnętrzna ciał

WYKŁAD 9: Rozkład mikrokanoniczny i entropia Boltzmanna

Wykład 2. Przykład zastosowania teorii prawdopodobieństwa: procesy stochastyczne (Markova)

Podstawowe prawa opisujące właściwości gazów zostały wyprowadzone dla gazu modelowego, nazywanego gazem doskonałym (idealnym).

Kiedy przebiegają reakcje?

Termodynamika materiałów

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

Ogólny schemat postępowania

Teoria ergodyczności: co to jest? Średniowanie po czasie vs. średniowanie po rozkładach Twierdzenie Poincare o powrocie Twierdzenie ergodyczne

Układ termodynamiczny Parametry układu termodynamicznego Proces termodynamiczny Układ izolowany Układ zamknięty Stan równowagi termodynamicznej

Transkrypt:

Wstęp do fizyki statystycznej: krytyczność i przejścia fazowe Katarzyna Sznajd-Weron

Co to jest fizyka statystyczna? Termodynamika poziom makroskopowy Fizyka statystyczna poziom mikroskopowy Marcin Weron Grób Boltzmanna na cmentarzu centralnym w Wiedniu

Sylwester w górach i jajka 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Pełny diagram fazowy dla wody 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Nieciągłe przejście fazowe 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Równowaga i stany metastabilne

Potencjały na diagramie fazowym 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Stan metastabilny: przechłodzona woda

Histereza

Nieciągłe przejście fazowe: punkt potrójny

Linie spinodali obszary metastabilności 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Ciągłe (krytyczne) przejście fazowe 2014 Katarzyna Sznajd-Weron

Ciągłe przejście fazowe: punkt krytyczny

Przykład ciągłej przemiany fazowej

Przemiana fazowa para-ferromagnetyk magnes ferromagnetyk Katarzyna Sznajd-Weron Ferromagnetyk T T c Paramagnetyk T > T c Jak to zrozumieć?

Model Isinga (Lenza-Isinga?) 1925 rozprawa doktorska Ernsta Isinga Brak przejścia fazowego w 1D Jedyna praca Isinga Przejście fazowe w 2D (lata czterdzieste) Skala mikro tłumaczy zachowania makro L H = J L S i S j 1D H = J i=1 S i S i+1 <i,j>

Skąd taki Hamiltonian? L H = J S i S i+1 i=1 L H = J S i S i+1 = J 3 1 + 4 ( 1) i=1 Każdy układ dąży do minimalizacji energii L H = J i=1 L S i S i+1 = J i=1 1 = JL

Oddziaływania pomiędzy cząstkami T < T c T > T c Oddziaływanie między cząstkami porządkuje Temperatura rozburza ( nerwowo ) Jak to policzyć? Algorytm Metropolisa

Czego się spodziewacie? Czego się spodziewacie? Zajrzyjcie na https://ccl.northwestern.edu/netlogo/ Models Library NetLogo (środowisko do ABM) Prof. Uri Wilensky Northwestern's Center for Connected Learning and Computer-Based Modeling (CCL)

Dalsze losy modelu Isinga Przejście fazowe w 2D bez pola Onsager, lata czterdzieste Symulacje Komputerowe model Isinga w 3D i 2D z polem Wykorzystanie poza fizyką Układy społeczne Rynki finansowe Układy biologiczne

Przejście fazowe w modelu Isinga

energia materia Układy otwarte, zamknięte i izolowane (termodynamiczne) Co tu jest stałe? Co może się zmienić? energia Układ otwarty Układ zamknięty Układ izolowany

Układy i jego otoczenie układ otwarty + otoczenie = układ izolowany układ Tylko dla takich istnieje ogólna teoria! otoczenie

Skala mikro i macro N A = 6.02214 10 23 liczba atomów, cząsteczek lub cząstek w jednym molu Jeden mol powietrza dla p = 1Atm i T = 0 O C zajmuje V = 22.2l Układ makroskopowy w fizyce (10 23 ) Opis w skali makro - termodynamika Dlaczego? Spojrzenie na układ w skali mikro

Przykład: gaz doskonały (pv = Nk B T) Rozrzedzony gaz złożony z N identycznych cząsteczek w pudle Średnie odległości między cząsteczkami duże Oddziaływania zaniedbywalne tylko zderzenia Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste Pudło przedzielone na pół: n P (t) + n L (t) = N n L 0 = N n P 0 = 0 Co się stanie?

Przykład: gaz doskonały (pv = Nk B T) Pudło przedzielone na pół: n P (t) + n L (t) = N n L 0 = N n P 0 = 0 n L = n P = N 2? Ile jest konfiguracji takich, że n L = N? Wszystkich konfiguracji jest 2 N. Dlaczego? Wszystkie z lewej strony: P n L = N = 1 2 N Jaka konfiguracja najbardziej prawdopodobna?

Przykład: 4 cząstki w pudle

Mikrostan i makrostan Mikrostan - szczegółowe informacje na temat każdej z cząstek - np. wszystkie położenia i pędy Ile zmiennych dla układu 3D gazu złożonego z N cząstek? Stan mikroskopowy zmienia się przez cały czas Makrostan - np. liczba cząstek w lewej połowie naczynia

Przykład: rzut dwiema kościami do gry Makrostan suma oczek na dwóch kościach Jakie mikrostany? Ile wszystkich? Ω = 6 6 = 36 P 2 = 1 36 P 3 = 2 36 = 1 18 P 7 = 6 36 = 1 6

Pojedyncza cząstka: odwracalność w czasie Pomyśl o jednej cząstce Ruch cząstki opisany równaniem Newtona d Ԧp ԦF = dt Gdzie jest początek a gdzie koniec?

Procesy nieodwracalne strzałka czasu Umieśćmy wszystkie cząstki w lewej połowie pudła? Jak wyglądałby wykres n L (t)? Posprzątam na swoim biurku i co dalej? Czy może samoistnie powstać budowla z kamieni? Układ izolowany w stanie uporządkowanym! nieuporządkowany Czas relaksacji - czas potrzebny na dojście do równowagi "Miara nieporządku" - entropia Wzrost entropii - strzałka czasu

Procesy nieodwracalne strzałka czasu Umieśćmy wszystkie cząstki w lewej połowie pudła? Jak wyglądałby wykres n L (t)? Posprzątam na swoim biurku i co dalej? Czy może samoistnie powstać budowla z kamieni? Wzrost entropii - strzałka czasu?

Równowaga mikroskopowo i makroskopowo: model Ehrenfesta

Twierdzenie H-Boltzmanna P r (t) - prawdopodobieństwo znalezienia układu w mikrostanie r (jednym z dozwolonych stanów układu) w chwili t Układ na pewno znajduje się w jednym ze stanów, tzn. r P r (t) = 1 W rs - prawdopodobieństwo przejścia w jednostce czasu ze stanu r do s Równanie ewolucji (bilansu) w układzie izolowanym: dp r dt = P s W sr P r W rs s s

Twierdzenie H-Boltzmanna dp r dt = P s W sr P r W rs s s Warunek mikroodwracalności: W sr = W rs dp r dt = (P s P r ) W sr s Zdefiniujmy wielkość: dh dt = 1 2 r H = lnp r = P r lnp r r W rs (P r P s )(lnp r lnp s ) s

Twierdzenie H-Boltzmanna dh Entropia: dt = 1 2 r H = lnp r dh dt 0, = P r lnp r r W rs (P r P s )(lnp r lnp s ) s dh dt = 0 dla P r = P s S = k B lnp r S = k B H ds dt 0, ds dt = 0 dla P r = P s

Podsumowania twierdzenia H-Boltzmanna Układ izolowany: dp r dt = s P s W sr s P r W rs + 0 Mikroodwracalność: W sr = W rs Wówczas entropia zdefiniowana jako S = k B lnp r = k B P r lnp r = k B P r ln 1 r r P r Rośnie i osiąga wartość maksymalną w stanie równowagi: ds dt 0, ds dt = 0 dla P r = P s stan równowagi

Entropia - ogólniej Mieliśmy już entropię Boltzmanna: S = k B lnp r = k B P r lnp r = k B P r ln 1 r r P r W teorii informacji mamy entropię Shannona H(X) = lnp(x i ) = i p x i log q p(x i ) Jeśli wszystkie stany równoprawdopodobne P r = 1 Ω to Ω 1 S = k B r=1 Ω lnω = k BlnΩ

Równowaga mikroskopowo i makroskopowo Postulat równych prawdopodobieństw a'priori Jeżeli układ izolowany znajduje się w stanie równowagi, to każdy z jego stanów dozwolonych jest jednakowo prawdopodobny P r = P s Stan równowagi makroskopowy max Ω, max S Stan (mikrostan) s 1 3 W sr Stan (mikrostan) r 1 3 2 4 5 W rs 2 5 4

Entropia w układzie izolowanym Strzałka czasu Miara nieporządku Miara niepewności S = k B lnω Fundamentalne równanie łączące skalę mikro i makro (termodynamika) Stała Boltzmanna: k B 1,38 10 23 J K

Entropia - przykład N korali: N 1 korali czerwonych + N 2 korali szarych Chcesz zrobić naszyjnik i bierzesz losowo korale Jaka entropia naszyjnika? Dla jakiego N 1, N 2 entropia największa? Ω = N! N 1! N 2! S = k B lnω = k B (lnn! lnn 1! lnn 2!) Przybliżenie Stirlinga: ln N! NlnN N S = NlnN N 1 lnn 1 N 2 lnn 2

Entropia - przykład S = NlnN N 1 lnn 1 N 2 lnn 2 Kiedy entropia maksymalna? S(N 1 ) = NlnN N 1 lnn 1 (N N 1 )ln(n N 1 ) S N 1 =? Maksymalna entropia powinna być dla N 1 = N 2 = 1/2