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_NOTES_ Equilibrium Statistical Mechanics Minimalist Notes Statistical Physics and Thermodynamics

Classical Ideal Gas and Quantum Ideal Gas (平衡态统计物理备考速通3:经典理想气体和量子理想气体)

逻辑上来说,求解实际上就是求 能谱 (energy spectral),将能谱代入系综的概率分布律,积分或求和以求对应系综的 配分函数,自然就可以

  • 直接用 配分函数 表出热力学量(以及热力学量之间的关系)
  • 先用配分函数表出 热力学势 $S=-k_B \ln \Omega(E,V,N),\quad F=-k_B T\ln Z(T,V,N), \quad \Phi_G= -k_BT\ln \mathcal{Z}(T,V,\mu)$ 然后用 热力学势的偏导 表出热力学量(以及热力学量之间的关系)

真正比较Tricky的部分是如何由 单粒子能谱 获得 系统的能谱,但在实际操作过程中,我们不需要具体求解完整的系统能谱,而只需要获得系统的配分函数 即可求解所有热力学量;并且,系统的配分函数往往可以由单粒子的配分函数求得,所以实际操作的任务链是:

  • 获得单粒子能谱 ${E_s}$
  • 用单粒子能谱在合适系综中求单粒子配分函数 $Z_1$
  • 借助单粒子配分函数和系统配分函数之间的联系,求系统配分函数 $Z$

不过更exam-oriented一些,我们也可以直接记住以下结论:

  • 经典粒子系统,在正则系综下考虑
    • 系统配分函数满足 $Z_N=\frac{1}{N}(Z_1)^N$
    • 单粒子的正则配分函数 $Z_1=\sum_k e^{-\beta \epsilon_k}$
  • 量子波色子(波色-爱因斯坦统计),在巨正则系综下考虑
    • 系统巨正则配分函数 $\ln\mathcal{Z}=-\ln\sum_k\ln(1-e^{-\beta(\epsilon_k-\mu)})$
  • 量子费米子(费米-狄拉克统计),在巨正则系综下考虑
    • 系统巨正则配分函数 $\ln\mathcal{Z}=+\ln\sum_k\ln(1+e^{-\beta(\epsilon_k-\mu)})$

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