유도완성

분배함수에서 열역학량 유도 (Thermodynamic Quantities from Partition Function)

1. 자유에너지와 분배함수의 연결

유도$F = -k_BT\ln Z$의 유도

정준 앙상블에서 볼츠만 분포 pi=eβEi/Zp_i = e^{-\beta E_i}/Z를 깁스 엔트로피에 대입한다.

S=kBipilnpi=kBipi(βEilnZ)S = -k_B\sum_i p_i \ln p_i = -k_B\sum_i p_i(-\beta E_i - \ln Z)=kBβipiEi+kBlnZipi= k_B\beta\sum_i p_i E_i + k_B\ln Z\sum_i p_i=ET+kBlnZ= \frac{\langle E\rangle}{T} + k_B\ln Z

따라서:

ETS=kBTlnZ\langle E\rangle - TS = -k_BT\ln Z

좌변은 헬름홀츠 자유에너지 F=UTSF = U - TS (U=EU = \langle E\rangle)이므로:

F=kBTlnZ\boxed{F = -k_BT\ln Z}

이것이 통계역학과 열역학을 잇는 다리 관계(bridge relation)이다.

2. 내부에너지

유도분배함수로부터 내부에너지
U=E=ipiEi=1ZiEieβEiU = \langle E\rangle = \sum_i p_i E_i = \frac{1}{Z}\sum_i E_i\,e^{-\beta E_i}

iEieβEi=Z/β\sum_i E_i e^{-\beta E_i} = -\partial Z/\partial\beta를 이용하면:

U=1ZZβ=lnZβ\boxed{U = -\frac{1}{Z}\frac{\partial Z}{\partial \beta} = -\frac{\partial \ln Z}{\partial \beta}}

온도 TT로 표현하면 (β=1/kBT\beta = 1/k_BT, β/T=1/kBT2\partial\beta/\partial T = -1/k_BT^2):

U=kBT2lnZTU = k_BT^2\frac{\partial \ln Z}{\partial T}

3. 엔트로피와 열용량

유도엔트로피와 열용량

엔트로피:

S=FT=kBlnZ+kBTlnZTS = -\frac{\partial F}{\partial T} = k_B\ln Z + k_BT\frac{\partial \ln Z}{\partial T}S=kB(lnZ+βU)=kBlnZ+UT\boxed{S = k_B\left(\ln Z + \beta U\right) = k_B\ln Z + \frac{U}{T}}

열용량:

CV=UT=1kBT2Uβ=1kBT22lnZβ2C_V = \frac{\partial U}{\partial T} = -\frac{1}{k_BT^2}\frac{\partial U}{\partial\beta} = \frac{1}{k_BT^2}\frac{\partial^2\ln Z}{\partial\beta^2}

에너지 요동과의 관계:

2lnZβ2=E2E2=(ΔE)2\frac{\partial^2\ln Z}{\partial\beta^2} = \langle E^2\rangle - \langle E\rangle^2 = \langle(\Delta E)^2\rangle

따라서:

CV=(ΔE)2kBT2\boxed{C_V = \frac{\langle(\Delta E)^2\rangle}{k_BT^2}}

열용량은 에너지 요동의 크기를 나타낸다. CV>0C_V > 0은 요동이 항상 존재한다는 것이며, 열적 안정성의 표현이다.

4. 압력과 상태방정식

유도압력의 유도

자유에너지로부터:

P=(FV)T,N=kBT(lnZV)T,NP = -\left(\frac{\partial F}{\partial V}\right)_{T,N} = k_BT\left(\frac{\partial \ln Z}{\partial V}\right)_{T,N}

이상기체 검증: ZN=VNf(T,N)Z_N = V^N \cdot f(T, N)이므로

lnZNV=NV\frac{\partial\ln Z_N}{\partial V} = \frac{N}{V}P=NkBTV    PV=NkBTP = \frac{Nk_BT}{V} \implies PV = Nk_BT \quad \checkmark

5. 양자 조화진동자의 완전한 열역학

예제양자 조화진동자 앙상블

에너지 준위: En=ω(n+1/2)E_n = \hbar\omega(n + 1/2), n=0,1,2,n = 0, 1, 2, \ldots

분배함수:

Z=n=0eβω(n+1/2)=eβω/21eβω=12sinh(βω/2)Z = \sum_{n=0}^{\infty} e^{-\beta\hbar\omega(n+1/2)} = \frac{e^{-\beta\hbar\omega/2}}{1 - e^{-\beta\hbar\omega}} = \frac{1}{2\sinh(\beta\hbar\omega/2)}

xβωx \equiv \beta\hbar\omega로 놓으면:

자유에너지:

F=kBTln(2sinhx2)=ω2+kBTln(1ex)F = k_BT\ln\left(2\sinh\frac{x}{2}\right) = \frac{\hbar\omega}{2} + k_BT\ln(1 - e^{-x})

내부에너지:

U=ω2cothx2=ω(12+1ex1)U = \frac{\hbar\omega}{2}\coth\frac{x}{2} = \hbar\omega\left(\frac{1}{2} + \frac{1}{e^x - 1}\right)

엔트로피:

S=kB[xex1ln(1ex)]S = k_B\left[\frac{x}{e^x - 1} - \ln(1 - e^{-x})\right]

열용량:

CV=kBx2ex(ex1)2C_V = k_B\frac{x^2 e^x}{(e^x - 1)^2}

극한 거동:

  • 고온 (x1x \ll 1): CVkBC_V \to k_B (등분배)
  • 저온 (x1x \gg 1): CVkBx2ex0C_V \to k_B x^2 e^{-x} \to 0 (동결)

6. 대정준 앙상블에서의 유도

유도대정준 분배함수와 열역학

대정준 분배함수 Z(T,V,μ)=N,ieβ(Ei(N)μN)\mathcal{Z}(T, V, \mu) = \sum_{N,i} e^{-\beta(E_i^{(N)} - \mu N)}로부터:

그랜드 퍼텐셜:

Φ=kBTlnZ=PV\Phi = -k_BT\ln\mathcal{Z} = -PV

평균 입자수:

N=1βlnZμ\langle N\rangle = \frac{1}{\beta}\frac{\partial\ln\mathcal{Z}}{\partial\mu}

평균 에너지:

E=lnZβ+μN\langle E\rangle = -\frac{\partial\ln\mathcal{Z}}{\partial\beta} + \mu\langle N\rangle

압력:

PV=kBTlnZPV = k_BT\ln\mathcal{Z}

입자수 요동:

(ΔN)2=1βNμ=kBTκTN2V\langle(\Delta N)^2\rangle = \frac{1}{\beta}\frac{\partial\langle N\rangle}{\partial\mu} = k_BT\kappa_T\frac{\langle N\rangle^2}{V}

마지막 등식은 입자수 요동이 등온 압축률 κT\kappa_T와 직접 연관됨을 보여준다. 이는 임계점(κT\kappa_T \to \infty)에서 요동이 발산하는 현상(임계 유백광, critical opalescence)과 연결된다.