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 , 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 - 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 Energie, wenn es mit künstlichen Pellets getroffen wird, also muss es auch haben wenn es mit Wasser gleicher Temperatur getroffen wird und wir die Pellets wegnehmen; so ist es . 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:
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.
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.
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 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.
Jia Yiyang
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Keshav Srinivasan
Ján Lalinský
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Keshav Srinivasan
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