분배함수에서 열역학량 유도 (Thermodynamic Quantities from Partition Function)
1. 자유에너지와 분배함수의 연결
유도$F = -k_BT\ln Z$의 유도
정준 앙상블에서 볼츠만 분포 를 깁스 엔트로피에 대입한다.
따라서:
좌변은 헬름홀츠 자유에너지 ()이므로:
이것이 통계역학과 열역학을 잇는 다리 관계(bridge relation)이다.
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2. 내부에너지
유도분배함수로부터 내부에너지
를 이용하면:
온도 로 표현하면 (, ):
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3. 엔트로피와 열용량
유도엔트로피와 열용량
엔트로피:
열용량:
에너지 요동과의 관계:
따라서:
열용량은 에너지 요동의 크기를 나타낸다. 은 요동이 항상 존재한다는 것이며, 열적 안정성의 표현이다.
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4. 압력과 상태방정식
유도압력의 유도
자유에너지로부터:
이상기체 검증: 이므로
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5. 양자 조화진동자의 완전한 열역학
예제양자 조화진동자 앙상블
에너지 준위: ,
분배함수:
로 놓으면:
자유에너지:
내부에너지:
엔트로피:
열용량:
극한 거동:
- 고온 (): (등분배)
- 저온 (): (동결)
6. 대정준 앙상블에서의 유도
유도대정준 분배함수와 열역학
대정준 분배함수 로부터:
그랜드 퍼텐셜:
평균 입자수:
평균 에너지:
압력:
입자수 요동:
마지막 등식은 입자수 요동이 등온 압축률 와 직접 연관됨을 보여준다. 이는 임계점()에서 요동이 발산하는 현상(임계 유백광, critical opalescence)과 연결된다.
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