कैननिकल पहनावा

सांख्यिकीय यांत्रिकी में एक सांख्यिकीय पहनावा गणितीय भौतिकी है जो एक निश्चित तापमान पर गर्मी स्नान के साथ थर्मल संतुलन में एक यांत्रिक प्रणाली के संभावित राज्यों का प्नितिनिधित्व करता है प्रणाली उष्मा स्नान के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान कर सकता है जिससे प्रणाली की कुल ऊर्जा में भिन्न होगी

राज्यों के संभाव्यता वितरण का निर्धारण करने वाले पहनावे का प्रमुख जलमग्न चर पूर्ण तापमान है कैनिकल यांत्रिक चर पर भी निर्भर करता है जैसे प्रणाली में कणों की संख्या चिन्ह $N$ और प्रणाली की आवाज चिन्ह$V$ जिनमें से प्रत्येक प्रणाली की आंतरिक अवस्थाओं की प्रकृति को प्रभावित करता है इन तीन मापदंडों को एक पहनावा कहा जाता है।

विहित पहनावा एक संभावना प्रदान करता है $P$ निम्नलिखित घातीय द्वारा दिए गए प्रत्येक विशिष्ट सूक्ष्म अवस्था सांख्यिकीय यांत्रिकी के लिए इस प्रकार है


 * $$P = e^{(F - E)/(k T)},$$

जहाँ $E$ सूक्ष्म की कुल ऊर्जा है और $k$ बोल्ट्जमैन स्थिरांक है

जो नंबर $F$ मुक्त ऊर्जा है हेल्महोल्ट्ज मुक्त ऊर्जा और पहनावा के लिए एक स्थिरांक है जबकि संभावनाएँ और $F$ अलग चुने जाने पर अलग-अलग होंगे मुक्त ऊर्जा $F$ दो भूमिकाएँ निभाता है सबसे पहले यह प्रायिकता वितरण के लिए एक सामान्यीकरण कारक प्रदान करता है दूसरा कई महत्वपूर्ण पहनावा औसत सीधे कार्यक्रम से गणना करते हैं

.

एक ही अवधारणा के लिए एक वैकल्पिक लेकिन समकक्ष सूत्रीकरण संभाव्यता को इस प्रकार लिखा जाता है


 * $$\textstyle P = \frac{1}{Z} e^{-E/(k T)},$$

विभाजन समारोह सांख्यिकीय यांत्रिकी का उपयोग करना


 * $$\textstyle Z = e^{-F/(k T)}$$

मुक्त ऊर्जा के दिए गए समीकरणों मुक्त ऊर्जा के संदर्भ को सरल गणितीय जोड़-तोड़ द्वारा विहित विभाजन कार्य के संदर्भ में पुन: स्थापित किया जा सकता है

ऐतिहासिक रूप से 1884 में एक अपेक्षाकृत अज्ञात पेपर में लुडविग बोल्ट्जमैन द्वारा पहली बार विहित कलाकारों की टुकड़ी का वर्णन किया गया था बाद में 1902 में योशिय्याह विलार्ड गिब्स द्वारा इसका पुनर्निर्माण और व्यापक जांच की गई

विहित पहनावा एक प्रणाली की संभावित अवस्थाओं का वर्णन करता है जो ताप स्नान के साथ तापीय संतुलन में है

विहित पहनावा किसी भी आकार की प्रणाली पर लागू होता है जबकि यह मान लेना आवश्यक है कि ताप स्नान बहुत बड़ा है अर्थात मैक्रोस्कोपिक सीमा प्रणाली स्वयं छोटा या बड़ा हो सकता है

यह प्रणाली यांत्रिक रूप से पृथक है यह सुनिश्चित करने के लिए आवश्यक है कि यह गर्मी स्नान के अलावा किसी बाहरी वस्तु के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान न करे सामान्य तौर पर उन प्रणालियों के लिए विहित पहनावा लागू करना वांछनीय है जो गर्मी स्नान के सीधे संपर्क में हैं क्योंकि यह वह संपर्क है जो संतुलन सुनिश्चित करता है व्यावहारिक स्थितियों में विहित पहनावा का उपयोग यांत्रिक रूप से कमजोर है या विश्लेषण के तहत प्रणाली में गर्म स्नान जोड़ का एक उपयुक्त हिस्सा सम्मिलित करके यांत्रिक प्रभाव प्रणाली पर प्रारूप तैयार की जाती है।

जब ऊर्जा स्थिर होती है तो प्रणाली की आंतरिक स्थिति अज्ञात होती है जिससे उपयुक्त विवरण विहित पहनावा बल्कि  सूक्ष्म विहित पहनावा है यह उन प्रणालियों के लिए जहां कण संख्या परिवर्तनशील है सही विवरण भव्य विहित पहनावा है सांख्यिकीय भौतिकी पाठ्यपुस्तकों में परस्पर क्रिया करने वाले कण प्रणालियों के लिए तीन संकुलों को थर्मोडायनामिक सीमा माना जाता है उनके औसत मूल्य के आसपास सूक्ष्मकण मात्रा में उतार-चढ़ाव से छोटा हो जाता है और जैसे-जैसे कणों की संख्या अनंत होती जाती है वे गायब हो जाते हैं बाद की सीमा में थर्मोडायनामिक सीमा कहा जाता है औसत बाधाएँ प्रभावी रूप से कठिन बाधाएँ बन जाती हैं सांख्यिकीय समुच्चय गणितीय भौतिकी तुल्यता की धारणा जोशिया विलार्ड गिब्स के समय से चली आ रही है और भौतिक प्रणालियों के कुछ प्रारूप के लिए कम दूरी की बातचीत के साथ सत्यापित किया गया है और सूक्ष्मकण बाधाओं की एक छोटी संख्या के अधीन है इस तथ्य के बाद कि कई पाठ्यपुस्तकें अभी भी यह संदेश देती हैं कि समेकन समतुल्य सभी भौतिक प्रणालियों के लिए धारण करता है पिछले दशकों में भौतिक प्रणालियों के विभिन्न उदाहरण पाए गए हैं जिनके लिए समेकन समतुल्यता का अलग होना जरूरी होता है।

गुण == विहित समुच्चय दिए गए तापमान पर भौतिक तंत्र के लिए विशिष्ट रूप से निर्धारित होता है और यह विकल्पों पर निर्भर नहीं करता है जैसे कि समन्वय प्रणाली शास्त्रीय यांत्रिकी या आधार प्रमात्रा यांत्रिकी या ऊर्जा के शून्य का N, V, और T के साथ विहित पहनावा एकमात्र पहनावा है जो मौलिक थर्मोडायनामिक संबंध को पुन: उत्पन्न करता है। [9] == सांख्यिकीय संतुलन के बावजूद भी अंतर्निहित प्रणाली निरंतर गति में है एक विहित पहनावा समय के साथ विकसित नहीं होता है ऐसा इसलिए है क्योंकि पहनावा केवल प्रणाली की संरक्षित मात्रा का एक कार्य है। [1] अन्य प्रणालियों के साथ थर्मल संतुलन दो प्रणालियां प्रत्येक को समान तापमान के एक विहित समेकन द्वारा वर्णित किया जाता है जो तापीय संपर्क में लाया जाता है संयुक्त प्रणाली को उसी तापमान के एक सूक्ष्मकण समेकन द्वारा वर्णित किया जाता है।

अधिकतम एन्ट्रॉपी किसी दिए गए सूक्ष्मकण प्रणाली के लिए सूक्ष्मकण मूल औसत किसी भी औसतन का अधिकतम भार है। [1]

मुक्त ऊर्जा, पहनावा औसत और सटीक अंतर

 * समारोह का कुछ व्युत्पन्न $F(N, V, T)$ महत्वपूर्ण विहित पहनावा औसत मात्रा है जहाँ
 * औसत दबाव $$ \langle p \rangle = -\frac{\partial F} {\partial V}, $$
 * गिब्स एंट्रॉपी $$ S = -k \langle \log P \rangle = - \frac{\partial F} {\partial T}, $$
 * कुछ व्युत्पन्न रासायनिक क्षमता से संबंधित है जबकि रासायनिक संतुलन की अवधारणा छोटे प्रणाली के सूक्ष्मकण समेकन पर बिल्कुल लागू नहीं होती है जहाँ
 * और औसत ऊर्जा $$ \langle E \rangle = F + ST.$$
 * सटीक अंतर उपरोक्त भावों से यह देखा जा सकता है कि समारोह $N$  प्रदत्त के लिए $F(N) − F(N − 1)$ सटीक अंतर है $$ dF = - S \, dT - \langle p\rangle \, dV .$$
 * ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम के लिए उपरोक्त संबंध को प्रतिस्थापित करना $F(N + 1) − F(N)$ के सटीक अंतर में $[F(N + 1) − F(N − 1)]/2$ ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम एक समीकरण पाया जाता है $$ d\langle E \rangle = T \, dS - \langle p\rangle \, dV .$$
 * ऊष्मीय उतार-चढ़ाव: प्रणाली में ऊर्जा में विहित पहनावा में अनिश्चितता है $$ \langle E^2 \rangle - \langle E \rangle^2 = k T^2 \frac{\partial \langle E \rangle}{\partial T}.$$

बोल्ट्जमैन वितरण (वियोज्य प्रणाली)
यदि एक विहित एकीकरण द्वारा वर्णित प्रणाली को स्वतंत्र भागों में अलग किया जा सकता है और इनमें से प्रत्येक भाग में एक निश्चित सामग्री संरचना होती है तो प्रत्येक भाग को स्वयं के लिए एक प्रणाली के रूप में देखा जा सकता है और है पूरे के समान तापमान वाले एक विहित पहनावा वर्णित किया जाता है।

इस तरह विहित एकीकरण कणों की संख्या किसी भी प्रणाली के लिए बोल्टजमान वितरण प्रदान करती है इसकी तुलना में सूक्ष्मकण विहित पहनावा से बोल्ट्जमैन वितरण का औचित्य केवल बड़ी संख्या में भागों वाली प्रणाली के लिए लागू होता है।

वास्तविक प्रणालियों में सांख्यिकीय यांत्रिकी को लागू करने के लिए बोल्ट्जमैन वितरण स्वयं सबसे महत्वपूर्ण उपकरणों में से एक है क्योंकि यह उन प्रणालियों के अध्ययन को व्यापक रूप से सरल करता है जिन्हें स्वतंत्र भागों में अलग किया जा सकता है जैसे मैक्सवेल गति वितरण, प्लैंक का नियम, बहुलक भौतिकी आदि।

आइसिंग निदर्श दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाली प्रणाली
टुकड़ों से बनी एक प्रणाली में जो एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं अधिकतर लोग पर सिस्टम को स्वतंत्र उप-प्रणालियों में अलग करने का तरीका खोजना संभव नहीं होता है जैसा कि बोल्ट्जमैन वितरण में किया गया है। इन प्रणालियों में यह आवश्यक है कि सिस्टम के ऊष्मप्रवैगिकी का वर्णन करने के लिए विहित कलाकारों की टुकड़ी की पूर्ण अभिव्यक्ति का उपयोग किया जाए, जब इसे ऊष्मा स्नान के लिए थर्मोस्टैट किया जाता है। सांख्यिकीय यांत्रिकी के अध्ययन के लिए विहित पहनावा आम तौर पर सबसे सीधा ढांचा है और यहां तक ​​कि कुछ इंटरेक्टिंग मॉडल सिस्टम में सटीक समाधान प्राप्त करने की अनुमति देता है। इसका एक उत्कृष्ट उदाहरण ईज़िंग मॉडल है, जो लोह चुंबकत्व और स्व-इकट्ठे मोनोलेयर गठन की घटनाओं के लिए व्यापक रूप से चर्चा किया गया खिलौना मॉडल है, और यह चरण संक्रमण को दर्शाने वाले सबसे सरल मॉडलों में से एक है। लार्स ऑनसेगर ने कैनोनिकल पहनावा में, शून्य चुंबकीय क्षेत्र पर एक अनंत-आकार के वर्ग-जाली [[आइसिंग मॉडल]] की सटीक रूप से मुक्त ऊर्जा की गणना की।

कलाकारों की टुकड़ी के लिए सटीक भाव
एक सांख्यिकीय समुच्चय के लिए सटीक गणितीय अभिव्यक्ति विचाराधीन यांत्रिकी के प्रकार पर निर्भर करती है - क्वांटम या शास्त्रीय - क्योंकि इन दो मामलों में एक माइक्रोस्टेट की धारणा काफी भिन्न होती है। क्वांटम यांत्रिकी में, विहित पहनावा एक सरल विवरण देता है क्योंकि मैट्रिक्स विकर्णकरण विशिष्ट ऊर्जाओं के साथ माइक्रोस्टेट (सांख्यिकीय यांत्रिकी) का असतत सेट प्रदान करता है। शास्त्रीय यांत्रिक मामला अधिक जटिल है क्योंकि इसमें इसके बजाय विहित चरण स्थान पर एक अभिन्न अंग शामिल है, और चरण स्थान में माइक्रोस्टेट्स के आकार को कुछ हद तक मनमाने ढंग से चुना जा सकता है।

क्वांटम मैकेनिकल
क्वांटम यांत्रिकी में एक सांख्यिकीय पहनावा घनत्व मैट्रिक्स द्वारा दर्शाया जाता है, जिसे निरूपित किया जाता है $$\hat \rho$$. आधार-मुक्त संकेतन में, विहित पहनावा घनत्व मैट्रिक्स है
 * $$\hat \rho = \exp\left(\tfrac{1}{kT}(F - \hat H)\right),$$

कहाँ $N$ सिस्टम का कुल ऊर्जा ऑपरेटर (हैमिल्टनियन (क्वांटम यांत्रिकी)) है, और $F(V, T)$ मैट्रिक्स घातीय  ऑपरेटर है। मुक्त ऊर्जा $N$ संभाव्यता सामान्यीकरण की स्थिति से निर्धारित होता है कि घनत्व मैट्रिक्स में एक का निशान (रैखिक बीजगणित) होता है, $$\operatorname{Tr} \hat \rho=1$$:
 * $$e^{-\frac{F}{k T}} = \operatorname{Tr} \exp\left(-\tfrac{1}{kT} \hat H\right).$$

यदि सिस्टम की स्थिर स्थिति और ऊर्जा eigenvalues ​​​​ज्ञात हैं, तो विहित पहनावा वैकल्पिक रूप से ब्रा-केट नोटेशन का उपयोग करके एक सरल रूप में लिखा जा सकता है। ऊर्जा eigenstates का एक पूरा आधार दिया $⟨E⟩$, द्वारा अनुक्रमित $F$, विहित पहनावा है:
 * $$\hat \rho = \sum_i e^{\frac{F - E_i}{k T}} |\psi_i\rangle \langle \psi_i | $$
 * $$e^{-\frac{F}{k T}} = \sum_i e^{\frac{- E_i}{k T}}.$$

जहां $Ĥ = U(x) + p^{2}/2m$ द्वारा निर्धारित ऊर्जा eigenvalues ​​​​हैं $U(x)$. दूसरे शब्दों में, क्वांटम यांत्रिकी में माइक्रोस्टेट्स का एक सेट स्थिर राज्यों के एक पूर्ण सेट द्वारा दिया जाता है। घनत्व मैट्रिक्स इस आधार पर विकर्ण है, विकर्ण प्रविष्टियों के साथ प्रत्येक सीधे संभावना दे रहा है।

शास्त्रीय यांत्रिक
शास्त्रीय यांत्रिकी में, एक सांख्यिकीय पहनावा इसके बजाय सिस्टम के चरण स्थान में एक संयुक्त संभाव्यता घनत्व फ़ंक्शन द्वारा दर्शाया जाता है, $|ψ_{i}(x)|^{2}$, जहां $Ĥ$ और $exp$ सिस्टम की स्वतंत्रता की आंतरिक डिग्री के विहित निर्देशांक (सामान्यीकृत संवेग और सामान्यीकृत निर्देशांक) हैं। कणों की एक प्रणाली में, स्वतंत्रता की डिग्री की संख्या $F$ कणों की संख्या पर निर्भर करता है $|ψ_{i}⟩$ एक तरह से जो भौतिक स्थिति पर निर्भर करता है। मोनोआटम्स (अणुओं नहीं) की त्रि-आयामी गैस के लिए, $i$. द्विपरमाणुक गैसों में स्वतंत्रता की घूर्णी और कंपनिक कोटि भी होंगी।

विहित पहनावा के लिए प्रायिकता घनत्व कार्य है:
 * $$\rho = \frac{1}{h^n C} e^{\frac{F - E}{k T}},$$

कहाँ
 * $E_{i}$ प्रणाली की ऊर्जा है, चरण का एक कार्य है $Ĥ|ψ_{i}⟩ = E_{i}|ψ_{i}⟩$,
 * $H = U(x) + p^{2}/2m$ की इकाइयों के साथ एक मनमाना लेकिन पूर्व निर्धारित स्थिरांक है $U(x)$, एक माइक्रोस्टेट की सीमा निर्धारित करना और सही आयाम प्रदान करना $dv/dE$.
 * $ρ(p_{1}, … p_{n}, q_{1}, … q_{n})$ एक अतिगणना सुधार कारक है, जो अक्सर कण प्रणालियों के लिए उपयोग किया जाता है जहां समान कण एक दूसरे के साथ जगह बदलने में सक्षम होते हैं।
 * $p_{1}, … p_{n}$ एक सामान्यीकरण कारक प्रदान करता है और यह विशिष्ट राज्य कार्य, मुक्त ऊर्जा भी है।

फिर से, का मूल्य $q_{1}, … q_{n}$ की मांग करके निर्धारित किया जाता है $n$ एक सामान्यीकृत प्रायिकता घनत्व फलन है:
 * $$e^{-\frac{F}{k T}} = \int \ldots \int \frac{1}{h^n C} e^{\frac{- E}{k T}} \, dp_1 \ldots dq_n $$

यह इंटीग्रल पूरे फेज स्पेस पर ले लिया जाता है।

दूसरे शब्दों में, शास्त्रीय यांत्रिकी में एक माइक्रोस्टेट एक चरण अंतरिक्ष क्षेत्र है, और इस क्षेत्र में आयतन है $N$. इसका मतलब यह है कि प्रत्येक माइक्रोस्टेट में ऊर्जा की एक सीमा होती है, हालांकि इस सीमा को चुनकर मनमाने ढंग से संकीर्ण बनाया जा सकता है $n = 3N$ बहुत छोटा होना। फेज स्पेस इंटीग्रल को माइक्रोस्टेट्स पर एक योग में परिवर्तित किया जा सकता है, एक बार फेज स्पेस को पर्याप्त मात्रा में बारीक रूप से विभाजित कर दिया गया है।