Spricht Feynman vom nullten Hauptsatz der Thermodynamik?

In Band 1, Kapitel 39 der Feynman Lectures on Physics leitet Feynman das ideale Gasgesetz aus Newtons Bewegungsgesetzen ab. Aber dann macht er auf Seite 41-1 einen Vorbehalt gegen die soeben vollendete Herleitung (im Original kursiv):

Übrigens, wenn wir sagen, dass die mittlere kinetische Energie des Teilchens ist 3 2 k T , wir behaupten, dies aus Newtons Gesetzen abgeleitet zu haben .... und es ist höchst interessant, dass wir anscheinend aus so wenig so viel herausholen können ... Wie bekommen wir so viel heraus? Die Antwort ist, dass wir ständig eine bestimmte wichtige Annahme gemacht haben, nämlich dass, wenn sich ein bestimmtes System bei einer bestimmten Temperatur im thermischen Gleichgewicht befindet, es auch mit allem anderen im thermischen Gleichgewicht sein wirdbei gleicher Temperatur. Wenn wir zum Beispiel sehen wollten, wie sich ein Teilchen bewegen würde, wenn es wirklich mit Wasser kollidieren würde, könnten wir uns vorstellen, dass ein Gas vorhanden wäre, das aus einer anderen Art von Teilchen besteht, kleinen feinen Pellets, mit denen (wir nehmen an) nicht wechselwirken Wasser, sondern treffen das Teilchen nur bei "harten" Kollisionen. Angenommen, aus dem Partikel ragt ein Zacken heraus; Alles, was unsere Pellets tun müssen, ist, den Zinken zu treffen. Wir wissen alles über dieses imaginäre Gas von Pellets bei Temperatur T - Es ist ein ideales Gas. Wasser ist kompliziert, aber ein ideales Gas ist einfach. Nun muss unser Teilchen im Gleichgewicht mit dem Gas von Pellets stehen. Daher muss die mittlere Bewegung des Teilchens das sein, was wir für Gaskollisionen erhalten, denn wenn es sich nicht mit der richtigen Geschwindigkeit relativ zum Wasser bewegen würde, sondern sich beispielsweise schneller bewegen würde, würde dies bedeuten, dass die Pellets Energie von aufnehmen würden es und wird heißer als das Wasser. Aber wir hatten sie bei der gleichen Temperatur gestartet, und wir gehen davon aus, dass, wenn ein Ding einmal im Gleichgewicht ist, es im Gleichgewicht bleibt – Teile davon werden nicht spontan heißer und andere Teile kälter. Dieser Satz ist wahr und kann anhand der Gesetze der Mechanik bewiesen werden, aber der Beweis ist sehr kompliziert und kann nur unter Verwendung fortgeschrittener Mechanik erbracht werden. Es ist in der Quantenmechanik viel einfacher zu beweisen als in der klassischen Mechanik. Es wurde zuerst von Boltzmann bewiesen, aber jetzt nehmen wir es einfach für wahr, und dann können wir argumentieren, dass unser Teilchen haben muss 3 2 k T Energie, wenn es mit künstlichen Pellets getroffen wird, also muss es auch haben 3 2 k T wenn es mit Wasser gleicher Temperatur getroffen wird und wir die Pellets wegnehmen; so ist es 3 2 k T . Es ist eine seltsame Argumentationslinie, aber vollkommen gültig.

Meine Frage ist, was ist der Vorschlag von Boltzmann, auf den sich Feynman bezieht? Mir fallen drei Möglichkeiten ein:

  1. Es könnte sich auf das Equipartition Theorem beziehen, das von Maxwell und Boltzmann unabhängig bewiesen wurde, da der Titel des Abschnitts "The Equipartition of Energy" lautet.

  2. Es könnte sich auf den nullten Hauptsatz der Thermodynamik beziehen , denn „es wird auch mit allem anderen im thermischen Gleichgewicht sein (insbesondere wenn er das „alles andere“ betont) klingt nach der Tatsache, dass das thermische Gleichgewicht eine Äquivalenzbeziehung ist.

  3. Es könnte sich auf den H-Satz von Boltzmann beziehen , der die Ableitung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik aus den Newtonschen Gesetzen war, denn „wenn ein Ding einmal im Gleichgewicht ist, bleibt es im Gleichgewicht – Teile davon werden nicht spontan heißer und andere Teile kälter “ klingt nach einigen Formulierungen des zweiten Hauptsatzes.

Welches der drei ist es also, wenn es eines der drei ist, und wie würden Sie es anhand der Newtonschen Gesetze beweisen?

Ich habe Feynman nicht gelesen, aber basierend auf dem von Ihnen zitierten Absatz sieht es aus wie das H-Theorem, es wurde unter Verwendung der klassischen Mechanik und einer unverzichtbaren Annahme bewiesen, die Irreversibilität enthält, dh die Annahme eines molekularen Chaos. Im Quantenfall kommt die Irreversibilität von zufälliger Phasenannahme oder Dekohärenz. In beiden Fällen kann der H-Satz nicht allein aus den dynamischen Gleichungen abgeleitet werden.
Da Sie die Wiki-Seite verlinkt haben, möchte ich nur darauf hinweisen, dass die von der Wiki-Seite gegebene quantenmechanische Herleitung zumindest irreführend, wenn nicht sogar falsch ist. Die Verwendung der goldenen Fermi-Regel als Annäherung ist weder der Schlüssel der Ableitung noch die Quelle der Irreversibilität. Sie können Weinbergs QFT, Band 1, auf eine Ableitung überprüfen, die nur die Einheitlichkeit der Zeitentwicklung verwendet, während die Dekohärenz tatsächlich implizit angenommen wird.
@JiaYiyang Aber klingt "wenn ein bestimmtes System bei einer bestimmten Temperatur im thermischen Gleichgewicht ist, ist es auch mit allem anderen bei der gleichen Temperatur im thermischen Gleichgewicht" nicht eher wie das nullte Gesetz? Den Kontext können Sie sich übrigens hier anschauen: www.feynmanlectures.caltech.edu/I_41.html
@Jia Yiyang: Die goldene Regel bringt Irreversibilität in die Ableitung. Warum denkst du anders? Könnten Sie bitte eine detaillierte Referenz angeben? (es ist schwer, sich durch das ganze Buch zu wühlen).
@KeshavSrinivasan: Ich gehe von seinem Argument aus, dass es wirklich zwei Annahmen hervorruft, die erste ist das nullte Gesetz, um zu rechtfertigen, dass wir Wasser durch Gas mit derselben Temperatur ersetzen können, das sich jedoch immer noch im Gleichgewicht mit dem Teilchen befindet. Das zweite ist das H-Theorem, um zu rechtfertigen, dass ein System im Gleichgewicht nicht spontan in einem Teil heißer und in einem anderen Teil kälter wird, so dass "die mittlere Bewegung des Teilchens das sein muss, was wir für Gaskollisionen erhalten, weil ..." .
@JánLalinský: es ist in 3.6 seines vol1. Es ist schwer zu erkennen, woher die Irreversibilität in seiner Herleitung kommt, da er sich nur auf die Unitarität beruft, die eigentlich eine grundlegende Annahme aus der Quantendynamik ist. Das Wesentliche ist das in QM S = ich p ich ln p ich , p ich Die Wahrscheinlichkeit, dass das System im i-ten Zustand auftritt, ist keine gute Definition der Entropie mehr, sie wird basisabhängig sein, zB in einem reinen Zustand wie | k = 1 / 2 | 1 + 1 / 2 | 2 , die obige Definition von S mehrdeutig ist, wird es gleich 0 sein oder ln 2 , je nachdem für welche Basis Sie sich entscheiden.
@JánLalinský: S=0 wird der gewünschte Wert sein, da ein reiner Zustand bedeutet, dass wir das System vollständig kennen, tatsächlich ist die korrekte Verallgemeinerung die von Neumann-Entropie. Als von Neumann-Entropie formuliert, werden Sie sofort sehen, dass Weinbergs Ableitung darauf hinausläuft, eine bestimmte Basis zu wählen und dann alle nicht diagonalen Einträge der Dichtematrix wegzuwerfen, dies nennen wir Dekohärenz, die nicht Teil der herkömmlichen QM ist.
@JisYiyang Hat Boltzmann also beide Annahmen bewiesen? Wo finde ich eine Ableitung des nullten Gesetzes aus den Newtonschen Gesetzen?
@Jia Yiyang: Die Unumkehrbarkeit schleicht sich nach 3.6.2 ein, wo er 3.4.11 verwendet, was eine Art goldene Regel in einer ihrer Formen ist. Er kommentiert diese Regel in Abschnitt 3.4, aber wie es zeigt, hat die goldene Regel keine sehr klare und zufriedenstellende Grundlage in der Theorie.
@KeshavSrinivasan: Mir sind keine Ableitungen dieser Annahmen aus einer zugrunde liegenden Dynamik bekannt.
@JiaYiyang Nun, Boltzmanns H-Theorem leitet das zweite Gesetz aus Newtons Gesetzen ab, wenn auch mit einer zusätzlichen Annahme. Können wir das nullte Gesetz nicht auf ähnliche Weise aus den Newtonschen Gesetzen ableiten, möglicherweise unter Verwendung einiger zusätzlicher Annahmen?
@KeshavSrinivasan: Es könnte sein, aber mir sind keine bekannt.
Ich kenne Boltzmann nicht sehr gut, aber die statistische Mechanik von Gibbs leistet ziemlich gute Arbeit, um das thermische Gleichgewicht als generische Sache zu beweisen (Nullth-Gesetz): Seite 36 (beginnend mit "Der Modulus Θ hat Eigenschaften analog zu denen der Temperatur in der Thermodynamik." .
Es gibt ein neueres Papier, das behauptet, [das nullte Gesetz] [1] aus ersten Prinzipien auf der Grundlage der Newtonschen Mechanik bewiesen zu haben. Ihre Argumentation ist eindeutig kompliziert und nutzt neuere Entwicklungen in der Nichtgleichgewichtsthermodynamik wie Fluktuationstheoreme. [1]: href=https://openresearch-repository.anu.edu.au/bitstream/1885/…

Antworten (1)

Ich bin sehr zuversichtlich, dass Feynman hier vom nullten Hauptsatz der Thermodynamik spricht.

Feynman diskutiert das klassische Brownsche Bewegungsexperiment von im Wasser schwimmenden Pollenkörnern in Bezug auf die kinetische Theorie. Die kinetische Theorie gilt jedoch nur in idealen Gasen, während es in Flüssigkeiten viele zusätzliche hydrodynamische Effekte gibt. Feynman argumentiert, dass dies nicht wirklich wichtig ist, da das Getreide, wenn es mit Wasser im Gleichgewicht ist, genauso gut mit "einem Gas aus Pellets" im Gleichgewicht sein könnte. Dieses Argument basiert auf dem nullten Hauptsatz der Thermodynamik.

Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik, eingeführt von Boltzmann in seinem Buch „Theorie der Wärme“, ist in der Tat sehr kompliziert aus der mechanischen Theorie zu beweisen. Ein gründlicher mathematischer Beweis wurde 2012 veröffentlicht. Ich bin nicht Experte genug, um zu beurteilen, ob dieser Beweis umfassend ist oder ob er weiterentwickelt wird. Auch der Beweis von Ludwig Boltzmann, den Feynman erwähnt, ist mir nicht bekannt. Ein aus der Quantenmechanik abgeleiteter Beweis ist dagegen relativ einfach und seit den 1980er Jahren bekannt (siehe Gorini et al. 1984 ).

Ich glaube nicht, dass sich Feynman hier auf den Gleichverteilungssatz oder den H-Satz bezieht. Feynman hat den Gleichverteilungssatz bereits in Kapitel 39-4 angesprochen . In Kapitel 41-1 geht er weiter ins Detail und gibt weitere Beispiele. Er erwähnt auch, dass "wenn ein Ding einmal im Gleichgewicht ist, es im Gleichgewicht bleibt". Diese Beobachtung hängt eng mit der Entropie und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zusammen, ist aber auch die grundlegende Definition des Gleichgewichts: Die Eigenschaften ändern sich nicht mit der Zeit. Wenn sie es täten, wäre es kein Gleichgewicht. Feynman verwendet dies für diese Ad-hoc-Ableitung des nullten Gesetzes, aber es ist nicht die Annahme, die er zuvor stillschweigend gemacht hat.