統計力学編 第5章

グランドカノニカル表示

大分配関数 Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 (式(3))は、状態数と同等の情報を持っている。実際、任意の熱力学量が式(5)によって計算できる。

エントロピーの示量性を露わにするように、状態数を書き換えたい。

グランドカノニカル表示

前節ではエントロピーの相加性を露わにするような表示として、状態数のカノニカル表示を導出した。今度は示量性を露わにすることを考える。これをグランドカノニカル表示と呼ぶことにする。

5.1示量性を露わにする表示:グランドカノニカル表示

ここでは、体積 𝑉 に関する依存性は考えないので、簡単のため省略する(状態数は Ω𝐸⁢𝑉⁢𝑁 ではなく Ω𝐸⁢𝑁 と書く)。

5.1.1状態数 Ω のグランドカノニカル表示の予想:式(1)

前章のカノニカル表示を参考にするならば、状態数 Ω𝐸⁢𝑁 は、以下の関数 Ω?𝐸⁢𝑁 で近似できると予想される: Ω?𝐸⁢𝑁≡𝑁!∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒𝛽𝐸⁢𝑁⁢(𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑛)+𝛼𝐸⁢𝑁⁢(𝑁−𝑛)(1) ただし、 𝛼𝐸⁢𝑁 は 𝛼𝐸⁢𝑁≡Ω𝐸⁢˙𝑁Ω𝐸⁢𝑁=−𝛽𝐸⁢𝑁⁢𝜇𝐸⁢𝑁 である( 𝛽 との違いは 𝐸 で微分するか 𝑁 で微分するか)。 𝜇𝐸⁢𝑁 は化学ポテンシャル。 𝛼𝐸⁢𝑁 は 𝑁 について単調減少関数であり、 𝛽𝐸⁢𝑁 と同様に非常に大きな値である。

この式(1)を 𝑁! で割って log を取ったものは示量性を満たすことが示せる。1つの容器を仮想的に2つに分離した時のそれぞれの容器からの寄与に分解すればよい: Ω?𝐸⁢𝑁𝑁!≡∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒𝛽𝐸⁢𝑁⁢(𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑛)+𝛼𝐸⁢𝑁⁢(𝑁−𝑛)⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣・積分変数に依存しない部分を前に出す・𝛽𝐸⁢𝑁,𝛾𝐸⁢𝑁の添え字を省略する=𝑒𝛽⁢𝐸+𝛼⁢𝑁⁢∫∞𝑛=01𝑛!⁢𝑒−𝛼⁢𝑛⁢∫𝒙,𝒑𝑒−𝛽⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑛⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣ ∣3.2節と同様の計算で容器を分離する:∫𝒙,𝒑𝑒−𝛽⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑛=∫𝑛𝑛1=0𝑛!𝑛1!(𝑛−𝑛1)!⁢𝑍(1)𝛽⁢𝑛1⁢𝑍(2)𝛽⁢(𝑛−𝑛1)=𝑒𝛽⁢𝐸+𝛼⁢𝑁⁢∫∞𝑛=0∫𝑛𝑛1=0𝑒−𝛼⁢𝑛𝑛1!(𝑛−𝑛1)!⁢𝑍(1)𝛽⁢𝑛1⁢𝑍(2)𝛽⁢𝑛2⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣・積分変数を𝑛1,𝑛2に変換。・各容器ごとにまとめる。=𝑒𝛽⁢𝐸+𝛼⁢𝑁⁢∫∞𝑛1=0∫∞𝑛2=0𝑍(1)𝛽⁢𝑛1⁢𝑒−𝛼⁢𝑛1𝑛1!⁢𝑍(2)𝛽⁢𝑛2⁢𝑒−𝛼⁢𝑛2𝑛2!=Ω?(1)𝐸1⁢𝑁1𝑁1!⁢Ω?(2)𝐸2⁢𝑁2𝑁2! ただし、最後の式の 𝐸1,𝐸2,𝑁1,𝑁2 は、「保存則」と「各容器の 𝛽,𝛼 が一致する」ことから決まる: 𝐸1+𝐸2=𝐸,𝛽(1)𝐸1⁢𝑁1=𝛽(2)𝐸2⁢𝑁2𝑁1+𝑁2=𝑁,𝛼(1)𝐸1⁢𝑁1=𝛼(2)𝐸2⁢𝑁2

5.1.2状態数 Ω のグランドカノニカル表示:式(2)

式(1)が正しいことを示そう。カノニカル表示の場合と同様に、 Ω?𝐸⁢𝑁 から Ω𝐸⁢𝑁 を括り出すことを考える: Ω?𝐸⁢𝑁≡𝑁!∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒𝛽𝐸⁢𝑁⁢(𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑛)+𝛼𝐸⁢𝑁⁢(𝑁−𝑛)⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣∫𝒙,𝒑[⋯]=∫∞𝜖=0𝛽𝜖⁢𝑛⁢Ω𝜖⁢𝑛⁡[⋯]=𝑁!∫∞𝑛=0∫∞𝜖=0𝛽𝜖⁢𝑛𝑛!⁢Ω𝜖⁢𝑛⁡exp⁡[𝛽𝐸⁢𝑁⁢(𝐸−𝜖)+𝛼𝐸⁢𝑁⁢(𝑁−𝑛)]⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣Ω𝜖⁢𝑛=exp⁡[∫𝜖𝜖′=𝐸𝛽𝜖′⁢𝑛+∫𝑛𝑛′=𝑁𝛼𝐸⁢𝑛]⁢Ω𝐸⁢𝑁=𝑁!∫∞𝑛=0∫∞𝜖=0𝛽𝜖⁢𝑛𝑛!⁢exp⁡[∫𝜖𝜖′=𝐸(𝛽𝜖′⁢𝑛−𝛽𝐸⁢𝑁)+∫𝑛𝑛′=𝑁(𝛼𝐸⁢𝑛−𝛼𝐸⁢𝑁)]⁢Ω𝐸⁢𝑁≡𝐼𝐸⁢𝑁⁢Ω𝐸⁢𝑁 𝐼𝐸⁢𝑁 の計算は前章の4.2節と同様である: 𝐼𝐸⁢𝑁≅𝑁!∫∞𝑛=0∫∞𝜖=0𝛽𝜖⁢𝑛𝑛!⁢exp⁡[𝛽˙𝐸⁢𝑛2⁢(𝐸−𝜖)2+𝛼𝐸⁢˙𝑁2⁢(𝑁−𝑛)2]⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣exp⁡部分は⁢𝐸≅𝜖かつ𝑁≅𝑛の部分以外はゼロとみなしてよい≅𝑁!∫∞𝑛=0∫∞𝜖=0𝛽𝐸⁢𝑁𝑁!⁢exp⁡[𝛽˙𝐸⁢𝑁2⁢(𝐸−𝜖)2+𝛼𝐸⁢˙𝑁2⁢(𝑁−𝑛)2]≅𝛽𝐸⁢𝑁⁢√2⁢𝜋∣𝛽˙𝐸⁢𝑁∣⁢√2⁢𝜋∣𝛼𝐸⁢˙𝑁∣ エントロピーを求める際には 𝑘⁢log を取るので、 𝐼𝐸⁢𝑁 は無視できる: Ω?𝐸⁢𝑁≅Ω𝐸⁢𝑁

よって、式(1)を状態数とみなしてよい: Ω𝐸⁢𝑉⁢𝑁𝑁!≅∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢(𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛)+𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢(𝑁−𝑛)(2) ただし、今まで省略していた体積 𝑉 を含めた。これが状態数のグランドカノニカル表示である。

5.1.3温度関数 𝑇𝐸⁢𝑉⁢𝑁 と化学ポテンシャル 𝜇𝐸⁢𝑉⁢𝑁 を求めるには、大分配関数 Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 を使う:式(6)

状態数のグランドカノニカル表示(2)には、右辺に 𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁,𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁 が現れているので、これらの関数形が分からないと計算できないように見える。しかし、カノニカル表示の場合と同様に計算することができる。

まず、式(2)の左辺から 𝐸,𝑉 のみに依存する部分を括り出すことにより、 𝛽,𝛼 のみに依存する項 Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 を括り出せる: Ω𝐸⁢𝑉⁢𝑁𝑁!≅𝑒𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝐸+𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝑁⁢Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼≡∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒−𝛽⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛−𝛼⁢𝑛(3) Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 を大分配関数という。これを計算すれば、 𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁,𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁 の関数形が求められることを示したい。

エントロピー 𝑆𝐸⁢𝑉⁢𝑁 は(ギブスの修正因子を含めて) 𝑆𝐸⁢𝑉⁢𝑁=𝑘⁢log⁡Ω𝐸⁢𝑉⁢𝑁𝑁!≅𝑘⁢𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝐸+𝑘⁢𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝑁+𝑘⁢log⁡Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼(4) である。 log⁡Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 をクラマース関数という(カノニカル表示におけるマシュー関数に対応する部分)。式(4)の全微分を取ると 𝛿⁡(log⁡Z𝛽⁡𝑉⁢𝛼)≐𝛿⁡(1𝑘⁢𝑆𝐸⁢𝑉⁢𝑁−𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁡𝐸+𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁡𝑁)≐1𝑘⁢𝛿⁡𝑆−(𝛿⁡𝛽)⁢𝐸−𝛽⁡(𝛿⁡𝐸)+(𝛿⁡𝛼)⁢𝑁+𝛼⁡(𝛿⁡𝑁)⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣ ∣𝛿⁡𝑆≐1𝑇⁢𝛿⁡𝐸+𝑃𝑇⁢𝛿⁡𝑉−𝜇𝑇⁢𝛿⁡𝑁≐𝑘⁢𝛽⁡𝛿⁡𝐸+𝑘⁢𝛽⁡𝑃⁢𝛿⁡𝑉+𝑘⁢𝛼⁡𝛿⁡𝑁≐−𝐸⁢𝛿⁡𝛽+𝛽⁡𝑃⁢𝛿⁡𝑉+𝑁⁢𝛿⁡𝛼(5) よって、係数を見れば 𝐸=−(log⁡Z)˙𝛽⁢𝑉⁢𝛼𝑁=(log⁡Z)𝛽⁢𝑉⁢˙𝛼}(6) となることが分かる。この逆関数を求めれば、 𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁,𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁 が決められる。

これにより、逆に、 Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 さえ求めれば式(4)を用いて、 𝑆𝐸⁢𝑉⁢𝑁 も決まる。従って、大分配関数 Z𝛽⁢𝑉⁢𝛼 はエントロピー 𝑆𝐸⁢𝑉⁢𝑁 と同じ情報を持っている。

5.2統計平均のグランドカノニカル表示

平衡状態における物理量 𝑄𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑁 の時間平均値 ⟨𝑄⟩𝐸⁢𝑉⁢𝑁 は、エルゴード仮説により、相空間上での平均を取ればよいのであった: ⟨𝑄⟩𝐸⁢𝑉⁢𝑁=∫𝒙⁢𝒑𝛿𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑁⁢𝑄𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑁∫𝒙⁢𝒑𝛿𝐸−𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑁(7)

この節では、 ⟨𝑄⟩𝐸⁢𝑉⁢𝑁 のグランドカノニカル表示(8)を与えておく。考え方は、前章の4.4節と同様である。

5.2.1統計平均のグランドカノニカル表示

式(7)のグランドカノニカル表示は、以下のようになる: ⟨𝑄⟩𝛽⁢𝑉⁢𝛼=∫∞𝑛=0∫𝒙⁢𝒑1𝑛!⁢𝑒−𝛽⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛−𝛼⁢𝑛⁢𝑄𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛∫∞𝑛=0∫𝒙⁢𝒑1𝑛!⁢𝑒−𝛽⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛−𝛼⁢𝑛(8) 分母は、大分配関数である。

導出は、カノニカル表示での統計平均の場合(4.4節)と同様である。式(8)の分子を変形して、 𝑄 に依存する部分が ⟨𝑄⟩𝛽⁢𝑉⁢𝛼 になることを言えばよい( 𝑄 に依存しない部分は分母で打ち消す)。以下では、 [⋯]𝐸⁢𝑉⁢𝑁 は 𝑄 に依存しない項を代表するものとする: (分子)𝐸⁢𝑉⁢𝑁≡∫∞𝑛=0∫𝒙,𝒑1𝑛!⁢𝑒−𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝐻𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛−𝛼𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢𝑛⁢𝑄𝒙⁢𝒑⁢𝑉⁢𝑛⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣4.4節と同じ議論によって∫𝒙,𝒑積分を実行≅[⋯]𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢∫∞𝑛=0𝑒−𝛼⁢𝑛𝑛!⁢⟨𝑄⟩𝐸⁢𝑉⁢𝑛⁢𝛽𝐸⁢𝑉⁢𝑛⁢Ω𝐸⁢𝑉⁢𝑛⁢⁢∣ ∣ ∣ ∣同様に、前章の【4.4-注1】を用いて∫𝑛積分を実行≅[⋯]𝐸⁢𝑉⁢𝑁⁢⟨𝑄⟩𝐸⁢𝑉⁢𝑁 𝑄 に依存しない項 [⋯]𝐸⁢𝑉⁢𝑁 は式(8)の分母に一致するので打ち消す。よって、式(8)が成り立つ。 ◼