Negative Temperatur

Hallo,

ich möchte mittels statistischer Mechanik die Temperatur eiens freien Teilchens bestimmen.

Dazu betrachte ich einen eindimensionalen „Kasten“ der Länge L. Das Teilchen habe eine Einergie zwischen E und E+dE. Das zugängliche Volumen im Phasenraum ist also:
V_Phasenraum = 2L*dp

das Impulsintervall dp ergibt sich aus dE:

E=p²/2m p=Wurzel(2mE)

=> dE/dp=p/m dp=m/p*dE=Wurzel(m/(2E))*dE

Das Phasenraumvolumen und damit die Zahl N der Systemzustände ist also proportional zu
1/Wurzel(E)

N=C/Wurzel(E)

Die Entropie ist dann S=k*ln(N)=k*ln(C/Wurzel(E))

Die Temperatur ist definiert durch:

1/T:=dS/dE=-1/2*k/E

oder E=-1/2*k*T, was ja mit der Energie eines idealen eindimensionalen Gas mit einem Freiheitsgrad überstimmt - wenn das Minus nicht wär!?

Deshalb meine Frage: Wo kommt das Minus her? Was hab ich falsch gemacht?

Gruß
Oliver

Hallo Oliver,

zwar habe ich die Lehrbuch-Antwort auch nicht parat (mein Thermo-Skript
ist grad zuhause :smile: ) …

=> dE/dp=p/m dp=m/p*dE=Wurzel(m/(2E))*dE

bis hierher bin ich d’accord mit Dir.

Das Phasenraumvolumen und damit die Zahl N der Systemzustände
ist also proportional zu
1/Wurzel(E)

Nein. Wir haben erst das Differential

dN = C*dE/Wurzel(E)

  • auf jeden Fall würde ich erst die vollständige Funktion N(E) daraus herstellen. Ich integriere also zwischen zwei Zuständen mit Energien E1 und E2
    und habe

N(E2) - N(E1) = C’ ( Wurzel(E2) - Wurzel(E1) )

Ich sach jetzt mal heuristisch: für E1=0 ist N(E1)=0 (natürlich im Hinblick
auf das gewünschte Ergebnis :wink: )
und es ist als Zustandsfunktion

N(E) = C* Wurzel(E)

und das Pluszeichen samt dem 1/2 ergibt sich zwanglos.

Das physikermäßige Zaubern mit Differentialen kann manchmal nicht ins Schwarze
gehen :wink:

beste Grüße
Stefan

oder E=-1/2*k*T

Ich dachte immer E=(3/2)*k*T, oder verwechsle ich da etwas?

oder E=-1/2*k*T

Ich dachte immer E=(3/2)*k*T, oder verwechsle ich da etwas?

Nein, das stimmt schon. Allgemein gilt eben

E=f/2*k*T

In der Realität gibt es natürlich f=3 Freiheitsgrade, was zu
deiner Formel führt. In meinem künstlichen Beispiel wurde
dagegen f=1 festgelegt… das Minuszeichen fuchst mich halt
noch…

Gruß
Oliver

Hallo Stefan,

Das Phasenraumvolumen und damit die Zahl N der

Systemzustände

ist also proportional zu
1/Wurzel(E)

Nein. Wir haben erst das Differential

dN = C*dE/Wurzel(E)

Also es war eigentlich so gedacht, dass dE das
Energieintervall sein soll, in dem sich die Zustände
befinden. Also hat man doch auch schon so eine Zahl N von
Zuständen innerhalb E und E+dE… ohne Integrieren zu müssen.

N(E) = C* Wurzel(E)

Ich glaub das stimmt nicht. Wenn man die Sache mal
quantenmechanisch betrachtet (unendlich tiefer
Potentialtopf), dann gilt für die Energiezustände

E~n²

Das heißt mit höher werdender Energie liegen die Zustände
immerweiter auseinander. Also nimmt doch die Zahl der
Zustände, die in einem festen Energieintervall liegen doch
mit zunehmender Energie ab. Bei deiner Formel nehmen sie aber
zu… da kann doch was nicht stimmen.

Kann man nicht einfach die Temperatur so definieren

1/T:=|dS/dE|

dann ist das Minuszeichen nämlich wech! :smile:

Gruß
Oliver

Hallo Oliver,

ich hab mich mal über google ein bißchen eingelesen :wink:

http://bibsrv.physik.rwth-aachen.de/Skripte/HTML/Sch…

Vielleicht ist die Logik, die Aufgabe zu lösen, eine andere. Also:
Bei Schnakenberg ist \Gamma(U) das Phasenraumvolumen, das solche Punkte
enthält, für das die Gesamtenergie H(p,q) höchstens gleich dem vorgegebenen
U ist ( \Gamma(U) ist offenbar so eine kumulative Größe wie in der
mathematischen Statistik die Verteilungsfunktion)

Ich versuche jetzt, dieser web site zu folgen.
Ich gebe eine Energie U vor, dem entspricht der Maximalimpuls
pmax = Wurzel(2mU).

Eine Phasenraumzelle ist 2L dp groß, p zwischen 0 und pmax. Ich integriere

\int^{pmax}_{0] 2L dp = 2L Wurzel(2mU)

und ich behaupte:

\Gamma(U) = 2L Wurzel(2mU)

und \Gamma(U)/h wäre dann die Anzahl der Phasenraumzustände mit Energien bis U.

Ich komme immer wieder auf N \propto Wurzel(U)

Also es war eigentlich so gedacht, dass dE das
Energieintervall sein soll, in dem sich die Zustände
befinden. Also hat man doch auch schon so eine Zahl N von
Zuständen innerhalb E und E+dE… ohne Integrieren zu müssen.

Lt. Schnakenberg hast Du recht. Das \Delta U, was Dein dE ist, diskutiert
er später mit dem ln weg. Ich starre immer auf die Formel (11.32) mit den
ganzen Definitionen zuvor und der Wegdiskutiererei danach.

N(E) = C* Wurzel(E)

Ich glaub das stimmt nicht. Wenn man die Sache mal
quantenmechanisch betrachtet (unendlich tiefer
Potentialtopf), dann gilt für die Energiezustände

Da wende ich sofort ein, daß im Potentialtopf sich das Phasenraumvolumen vielleicht anders berechnet, weil der kanonische Impuls dp (für das dp dx) verschieden vom
kinetischen Impuls ist.

Bei

E \propto n^2

ist n ja ohnehin nur eine Quantenzahl. Es würde bei einer vorgegebenen
Energie U ein nmax geben, und man würde 1^2 + … + nmax^2 summieren, also
würde die Anzahl \Gamma(U) mit nmax^3 gehen, d.h. mit U^{3/2}. Hm, sieht
aber auch nicht schlecht aus :wink:

und die Zustandsdichte d\Gamma(U)/dU ginge dann mit U^{1/2}. Schon wieder
Wurzel! Hilfe!

Das heißt mit höher werdender Energie liegen die Zustände
immerweiter auseinander. Also nimmt doch die Zahl der
Zustände, die in einem festen Energieintervall liegen doch
mit zunehmender Energie ab. Bei deiner Formel nehmen sie aber
zu… da kann doch was nicht stimmen.

Deine Aussage verstehe ich, und um diesen Sachverhalt zu beschreiben, bieg ich
mir die Zahl

1/\Gamma(U) * d\Gamma(U)/dU * \Delta U

zurecht: Ich setze die Anzahl der Zustände im Bereich U, U+\Delta U
in Relation zur Gesamtzahl der Zustände von Null bis U.
Für diese Zahl bekomme ich im Potentialtopf die Abhängigkeit U^{-1/2} \Delta U,
also abnehmend, d.h. der Anteil der Zustände mit hoher Energie ist klein gegenüber den unteren Energieniveaux.

Für das 1D-Beispiel ginge diese Zahl mit 1/U \Delta U. Auch hier werden hohe
Energien selten. N(U) ist die Anzahl aller Zustände unterhalb U und wäre proportional zu Wurzel(U).

Kann man nicht einfach die Temperatur so definieren

1/T:=|dS/dE|

dann ist das Minuszeichen nämlich wech! :smile:

Schön wärs, mit Betragsstrichen lästige Vorzeichen wegzudiskutieren. Leider
ist der Absolutbetrag keine C^\infty-Funktion, sonst hätte man das schon
längst irgendwo mal eingebaut *g*

Nene, außerdem haut das mit den ganzen totalen Differentialen nicht hin.

Also, ich hab versucht, der Sache näherzukommen. Aber ich schwimme ganz
schön.

Hoffe auf weitere Klärung.

Gruß
Stefan

Hallo Stefan,

ich bin mit meinem Latein auch am Ende, egal wie ich die
Sache angehe, ich komme zum selben Ergebnis: die Zahl der
Zustände (und damit die Entropie) nimmt mit wachsender
Energie ab. Deswegen muss ja eigentlich auch dS/dE negativ
werden… hmmmm…komisch!

Aber dankte trotzdem für die Diskussion und den Link.

Eine Phasenraumzelle ist 2L dp groß, p zwischen 0 und pmax.
Ich integriere

\int^{pmax}_{0] 2L dp = 2L Wurzel(2mU)

Du integrierst über den gesamten Impuls von 0 bis p_max. Aber
ein Teilchen, das in einem 1-dim Kasten eingeschlossen ist
und elastische Stöße mit den Wänden vollführt (kein
Energieverlust) nach dem Impulssatz doch immer entweder p_max
oder p_min aber keine Werte dazwischen. Diese sind sozusagen
verboten.

Da wende ich sofort ein, daß im Potentialtopf sich das
Phasenraumvolumen vielleicht anders berechnet, weil der
kanonische Impuls dp (für das dp dx) verschieden vom
kinetischen Impuls ist.

Aber Phasenvolumen braucht man doch dann gar nicht. Man kann
doch die Zahl der Zustände direkt anhand der Quantenzahl n
abzählen:

En~n² n~Wurzel(En), sagen wir n=C*Wurzel(En)

Also gibt es im Inervall (E,E+dE) so viele Zustände:

N=n(E+dE)-n(E)
=C*(Wurzel(E+dE)-Wurzel(E))
=C*(Wurzel(E)+1/(2Wurzel(E))*dE-Wurzel(E))
[Taylerentwicklung um E]
=C/(2Wurzel(E))*dE

also N~1/Wurzel(E) genau wie im klassischen Fall mit dem
selben Ergbnis für T!

Naja… vielleicht klärt sich das ja mal irgendwann.

Gruß
Oliver

Tippfehler

oder p_min

ich wollte sagen -p_max

Ich glaub, ich hab’s!
Hallo Stefan,

mir ist eben was eingefallen.
Ich hatte ja für die Zahl der Zustände im Intervall (E,E+dE):

N = C/Wurzel(E)*dE

Nun habe ich immer angenommen, dass die Intervalllänge dE für alle Energie konstant ist.
Aber ich glaube, es kommt der Realität viel näher, wenn die Energieunschärfe mit wachsender Energie zunimmt.
Es wär doch realistischer anzunehmen, dass lediglich der relative „Fehler“ dE/E konstant bleibt. Sagen wir

dE/E=R dE=RE

Du ahnst jetzt sicher, was jetzt kommt. Damit ist nämlich die Zahl der Zustände:

N=RC*Wurzel(E) !!

Und damit kommt auch bei der Entropie und der Temerpatur endlich die richige Gleichung raus:

E=1/*k*T

…ohne Minus! Was hälst du davon??

Gruß
Oliver

Hallo Stefan,

mir ist eben was eingefallen.
Ich hatte ja für die Zahl der Zustände im Intervall (E,E+dE):

N = C/Wurzel(E)*dE

Nun habe ich immer angenommen, dass die Intervalllänge dE für
alle Energie konstant ist.

ja, pardon, das bleibt auch so… :smile:

Differentiale mögen zwar irgendwie „unendlich klein“ sein, aber sie sind
trotzdem klare mathematische Objekte. Sie sind aber nur Symbole, mit denen
man syntaktisch erlaubte Operationen durchführen kann (das sind dann die
Geschichten mit partiellen Ableitungen). Diese Symbole haben aber nie, auch
nicht latent, einen Zahlenwert, auch nicht nahe Null. (Das Ganze führt dann
z.B. zur non-standard Analysis)

Wenn man in seiner Aufgabenstellung
mehrere Differentiale vor sich hat (z.B. in der T-Dynamik dU, dV, dp etc.),
dann gibt es einen Satz unabhängiger Differentiale, den man sich
vorgeben muß. Sage ich, ich will U als U(T,V), so setze ich dT und dV als
den Satz unabhängiger Differentiale. Alle anderen (dU, auch dS oder dp) sind
linear abhängig (mit irgendwelchen partiellen Ableitungen, die man trickreich
[Maxwell-Beziehungen !] finden muß, als Koeffizienten) von diesen dT und dV.

Der Kalkül ist so perfekt, daß es nicht gelingen wird,
U als U(p,T) auszudrücken (U würde nur von intensiven Größen abhängen),
weil dU nicht linear mit dp und dT angeschrieben werden kann.

Mein persönlicher Literaturtip: Courant (nicht Hilbert/Courant), Differential-
und Integralrechnung, Bd. I (sieht billig und unexakt aus, erklärt die
Differentiale aber recht angenehm und nützlich)

Ich kommentiere Deinen Vorschlag deshalb so ausführlich, weil er darauf
hinausläuft, statt dE eine neue Variable, nämlich R, einzuführen:

R = dE / E

Nach dem Kalkül ist R selbst ein Differential. Da dE / E = d( ln E ) ist,
hat man statt E jetzt die Zahl ln E als unabhängige Variable. Hm.

Selbst wenn R quasi kein Differential wäre:
Den relativen Fehler als Fundamentalvariable statt E ? U würde ja dann letztlich
von R abhängen…

bg
Stefan

Hallo Oliver,

Aber dankte trotzdem für die Diskussion und den Link.

Eine Phasenraumzelle ist 2L dp groß, p zwischen 0 und pmax.
Ich integriere

\int^{pmax}_{0] 2L dp = 2L Wurzel(2mU)

Du integrierst über den gesamten Impuls von 0 bis p_max. Aber
ein Teilchen, das in einem 1-dim Kasten eingeschlossen ist
und elastische Stöße mit den Wänden vollführt (kein
Energieverlust) nach dem Impulssatz doch immer entweder p_max
oder p_min aber keine Werte dazwischen. Diese sind sozusagen
verboten.

Wenn das Teilchen nur genau einen Wert des Impuls besitzt, dann ist
das Phasenraumvolumen gleich Null. Dann gibt es auch keine statistische
Verteilung, keine Temperatur. Hier muß man die Aufgabenstellung begucken -
ich dachte, man gibt dem Teilchen *nur* die örtliche Einschränkung zwischen
0 und 2L vor. Das pmax lege ich ja fest, indem ich U vorgebe.

Ich betrachte erst
das geometrische Gebilde im Phasenraum, das alle Zustände enthält, die
das System (hier: das Teilchen) annehmen kann ohne daß die Gesamtenergie
einen vorgegeben Wert U überschreitet (also alle Energien von 0 bis U).
Das Teilchen ruht also (p=0) oder hat allenfalls den Impuls pmax= Wurzel(…).
Wegen -pmax gibt es meinetwegen einen Faktor 2. Das Teilchen kann sich
überall zwischen Ort 0 und Ort 2L aufhalten (jedesmal ein anderer Punkt im
Phasenraum), damit ist das Phasenraumvolumen
2L * 2pmax.

In der Th-Dynamik/QM sagt man, jeder Zustand eines Systems steht nicht nur
für einen Punkt im Phasenraum, sondern verbraucht gleich ein Kästchen vom
Volumen h (Phasenraumzelle). Weil das Phasenraumvolumen für eine vorgegebene
Energie U aber endlich ist, hat man sofort nur noch eine endliche Anzahl von
Zuständen: 2L * 2pmax / h.

Aber Phasenvolumen braucht man doch dann gar nicht. Man kann
doch die Zahl der Zustände direkt anhand der Quantenzahl n
abzählen:

Neinnein… n ist nur eine Quantenzahl, die den Zustand charakterisiert -
n steht nicht für irgendeine Anzahl von irgendetwas! (Darauf bin ich
aber auch schon reingefallen…)

Gruß
Stefan

HAllo

Wenn das Teilchen nur genau einen Wert des Impuls besitzt,
dann ist
das Phasenraumvolumen gleich Null.

Du vergisst, das Impuls noch die Verschmierung dp besitzt.
Damit ist das Volumen ungleich Null.

Aber Phasenvolumen braucht man doch dann gar nicht. Man

kann

doch die Zahl der Zustände direkt anhand der Quantenzahl n
abzählen:

Neinnein… n ist nur eine Quantenzahl, die den Zustand
charakterisiert -
n steht nicht für irgendeine Anzahl von irgendetwas! (Darauf
bin ich
aber auch schon reingefallen…)

Nein, man kann doch mit der Quantenzahl n auch die Zahl der
Zustände abzählen:
En~n² also, kann man auch angeben wie viele Energienieveaus
zwischen zwei Energien E1 und E2 liegen.

Gruß
Oliver

Hallo Stefan

Differentiale mögen zwar irgendwie „unendlich klein“ sein,
aber sie sind
trotzdem klare mathematische Objekte. Sie sind aber nur
Symbole, mit denen
man syntaktisch erlaubte Operationen durchführen kann (das
sind dann die
Geschichten mit partiellen Ableitungen). Diese Symbole haben
aber nie, auch
nicht latent, einen Zahlenwert, auch nicht nahe Null.

Ich glaube du hast mich da falsch verstanden dE soll kein
Differential sein, sondern die Intervalllänge der möglichen
Energien. Ich hätte genauso gut delta_E schreiben können,
aber das wäre zu umständlich. Wie gesagt, quasi Fehler bei
der Energieangabe. Wenn ich geschrieben hätte E soll in im
Intvall (10 eV,12eV) liegen, hättest du bestimmt nicht die
2eV als mathematisches Differential aufgefasst.

R = dE / E

Nach dem Kalkül ist R selbst ein Differential.

R sollte eine konstante Zahl sein, z.B. R=1%.

Also nochmal dE und dp sollte keinen Differtiale sein,
sondern endliche Intervalllängen, für die man dann Zahlen
einsetzen kann.

Gruß
Oliver

Phasenraumvolumen der Fluktuationen?
ja, okay, dann zieh ich meinen Sermon über Differentiale
zurück -
soweit verstehe ich Dich!

Aber an sich ist in der Definition für

N(E): Anzahl der Teilchen mit Energie zwischen E und E+\Delta E

immer ein gleich breites \Delta E ( :smile: ) gemeint, egal,
wie hoch die Energie ist.

\Delta E soll ja die statistischen Fluktuationen
erfassen. Dazu habe ich mit großem Gewinn den allerersten Paragraphen
„Die statistische Verteilung“ von Landau/Lifschitz, Bd. V gelesen: die
Fluktuationen sind unglaublich klein. Das heißt, es ist möglicherweise
wurscht, ob man ein immer gleich breites \Delta E nimmt oder Deinem
Vorschlag entsprechend ein zu E proportionales \Delta E. Es ist eh alles
superklein…

Aber okay. Du nimmst dieses \Delta E und rechnest das in eine Impulsfluktuation
um, das ist \Delta p - Du ermittelst dafür ( C/Wurzel(E) )*\Delta E .

Aber ist \Delta p mal L denn das Phasenraumvolumen, was man zum Abzählen der
Zustände braucht? Mir kommt das eher wie das Phasenraumvolumen der
statistischen Fluktuationen vor - es wäre also ebenfalls superwinzig und nicht
von der Größenordnung h (10^-34)…

Irgendwann wird uns die Erkenntnis küssen.

Ist es echt keine Übungsaufgabe, die Du rechnen mußt? Ich warte ja heimlich
darauf, daß Du die Musterlösung des Assistenten verrätst… :smile:)

Gruß
Stefan

Hallo,

Deinem
Vorschlag entsprechend ein zu E proportionales \Delta E. Es
ist eh alles
superklein…

Ja, aber was heißt denn „die Fluktuation ist superklein“? Wann ist denn z.B. 1keV superklein? Wenn die Energie 1 GeV ist, dann ist 1keV bestimmt superklein. Aber wenn die Energie selsbt nur 1 keV ist, dann ist eine Fluktuation von 1 keV bestimmt nicht mehr superklein.
Ich finde daher, dass man deshalb nur das Verhältnis dE/E superklein nennen darf. (wenn es kleiner ist als eine konstante Zahl, z.B. 0,001% oder so.) Das ist dann eine energieunabhängige Formulierung und nur diese sollte man verwenden.

Aber ist \Delta p mal L denn das Phasenraumvolumen, was man
zum Abzählen der
Zustände braucht? Mir kommt das eher wie das Phasenraumvolumen
der
statistischen Fluktuationen vor - es wäre also ebenfalls
superwinzig und nicht
von der Größenordnung h (10^-34)…

Ja, man muss hier einen Kompromiss eingehen, einersets soll dieses dE so klein, dass man einer Energieschale reden darf (mikrokanonisches Enseble), andererseits soll es schon so groß sein, dass dadurch im Phasenraum ein endliches Volumen eingegrenzt wird, sodass man damit die Zustände abzählen kann.

Irgendwann wird uns die Erkenntnis küssen.

… da seh ich scharz…

Ist es echt keine Übungsaufgabe, die Du rechnen mußt? Ich
warte ja heimlich
darauf, daß Du die Musterlösung des Assistenten verrätst…

-))

Tut mir echt leid… aber es gibt so eine ähnliche Aufgabe im Netz

www.tfkp.physik.uni-erlangen.de/teaching/ uebungen/SM_WS0001/h07.pdf

aber eine Antort gibt sie auch nicht.

Ok, ich lass es jetzt bei dem, was ich habe: das hört sich ganz vernünftig an und es kommt auch noch die ideale Gasgleichung raus. Damit kann man doch leben.

Gruß
Oliver

Hallo, wackrer Wissenschaftler :smile:

superklein…

Ja, aber was heißt denn „die Fluktuation ist superklein“? Wann
ist denn z.B. 1keV superklein?

Nein. Ich meine wirklich als relatives Verhältnis so kleine Zahlen wie
10^{-200} oder 10^{-10^5} *g*

genau das habe ich aus dem Landau gelernt - die Fluktuationen sind nicht
so tierisch gefährlich, wie man denkt…

also selbst bei 10^80 eV sind Fluktuationen nicht von Bedeutung…
nur Null sollen sie nicht sein…

Ja, man muss hier einen Kompromiss eingehen, einersets soll
dieses dE so klein, dass man einer Energieschale reden darf
(mikrokanonisches Enseble), andererseits soll es schon so groß
sein, dass dadurch im Phasenraum ein endliches Volumen
eingegrenzt wird, sodass man damit die Zustände abzählen kann.

so 'ne Art Parameter zum Tunen?

Die von Dir gezeigte Erlanger Übungsseite habe ich mir angeguckt…ja, scheint offenbar eine einfache Aufgabe zu sein… :->

Nach Suchen mit englischen Wörtern (entropy, free particle, freely moving particle) bin ich auf folgende web sites (das ganze „Buch“ scheint interessant zu sein):

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

Ich glaube, wir kaprizieren uns zu sehr auf dieses dämliche \Delta E.
Im ersten Link (node236) kann man am 2D- und 3D-Beispiel sehen, daß
die Zahl N mit E^{D/2} geht. Im zweiten Link (node238) wird für die Entropie
das schmale \Delta E herangezogen, um sodann im Logarithmus wieder weggelassen zu werden. Und die 3/2 bei der Entropie kommt wirklich aus dem Exponenten von E.

Gruß
Stefan

Aha!! Vielleicht ist T doch negativ!

Hallo, wackrer Wissenschaftler :smile:

Hallo wackrer Kollege :smile:

Nach Suchen mit englischen Wörtern (entropy, free particle,
freely moving particle) bin ich auf folgende web sites (das
ganze „Buch“ scheint interessant zu sein):

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

Na, was seh ich denn da?!
Schau dir doch mal im zweiten Link die Formel für die Zahl der Zustände an. (24.11)

Diese Formel ist proportional zu E^(3/2*N)/E
Das heißt den Autor rettet doch auch nur die große Teilchenzahl und die 3 Dimensionen. Wenn man in dieser Formel N=1 wählt und die Dimension 1, dann kommt bei ihm auch E^(1/2)/E=E^(-1/2) raus! Also auch ein negativer Exponent und damit eine negative Temperatur.

Könnte es vielleicht sein, dass ein einziges Teilchen in einem 1-dim Kasten womöglich tatsächlich eine negative Temperatur hat?? Was spricht den eigentlich dagegen?

Gruß
Oliver

Hallo Kollege,
der Du niemals zu schlafen scheinst :smile:

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

http://www.physics.nmt.edu/~raymond/classes/ph13xboo…

Na, was seh ich denn da?!
Schau dir doch mal im zweiten Link die Formel für die Zahl der
Zustände an. (24.11)

Diese Formel ist proportional zu E^(3/2*N)/E
Das heißt den Autor rettet doch auch nur die große
Teilchenzahl und die 3 Dimensionen. Wenn man in dieser Formel
N=1 wählt und die Dimension 1, dann kommt bei ihm auch
E^(1/2)/E=E^(-1/2) raus! Also auch ein negativer Exponent und
damit eine negative Temperatur.

Nachdem ich die Herleitung auf den diversen nodes zuvor gelesen habe,
gebe ich Dir recht. Ich hatte gehofft, daß irgendwo mal die Stirling-Formel
verwendet wird für diese Gleichung, die für N=1 nicht gültig sein muß - aber
Fehlanzeige.

Das -1/2 kommt ja wirklich nur raus, wenn man E^{DN/2} mit D=1
nach E differenziert und N klein hält, eben N=1. Für große N spielt es
keine Rolle, wenn im Exponenten dann DN/2 - 1 steht statt DN/2 - auch aus diesem
Grund kann der Vorfaktor, der ein E im Nenner enthält (was für das -1 sorgt),
für große N keine Rolle spielen und wird beim Logarithmieren ausgelassen
(da eben nicht \propto N ). Der typische Vorfaktor für die Entropie wäre
immer D/2 * N.

Ich komme also bei der Frage an, ob ein ideales Gas aus 1 Stück Teilchen
eine Temperatur hat. Hm, ich möchte sagen, nein - wir haben überhaupt keine
statistische Verteilung…

Übrigens habe ich für die möglichen quantenmechnaischen Energiezustände des 1D-Teilchens
die Beziehung E_n \propto n^2 gefunden (die deBroglie-Welle muß in L reinpassen)

  • für ein vorgegebenes E gibt es also \Wurzel(E) mögliche Zustände. Das wäre für mich die 1D-Variante des node236.

Gruß
Stefan

Hallo

der Du niemals zu schlafen scheinst :smile:

naja, ich schlafe, wenn ich eigentlich die Vorlesung gehen sollte… :wink:

Ich komme also bei der Frage an, ob ein ideales Gas aus 1
Stück Teilchen
eine Temperatur hat. Hm, ich möchte sagen, nein - wir haben
überhaupt keine
statistische Verteilung…

Ja aber, ich kann doch für ein Ein-Teilchen-Gas eine Entropie angeben. Folglich ist doch wegen 1/T=dS/dE auch eine Temperatur definiert. Punkt.

So wie ich die Sache sehe, gibt es drei Möglichkeiten:

(1):
Man akzeptiert, dass die Temperatur negativ ist. Was ja auch nicht weiter tragisch wäre, immerhin ist das Szenario sowieso nur akademisch und wird in der Natur nie und nimmer auftauchen.

(2):
Man benutzt den „Rettungsanker“ dE/E=const, was erstens eine vernünftige Annahme ist und zweitens auch im allgemeinen Fall mit einer großen Anzahl von Teilchen zum richtigen Ergebnis führt. (weil eine Exponentänderung von 1 beim Logarithmieren sowieso vernachlässigt werden kann)

(3):
Man zieht sich ganz aus der Affäre und sagt, dass die Temperatur für ein Teilchen keine sinnvolle Angabe ist.

Also, ich bin für (2) und damit lass ich es jetzt gut sein.

Übrigens habe ich für die möglichen quantenmechnaischen
Energiezustände des 1D-Teilchens
die Beziehung E_n \propto n^2 gefunden (die deBroglie-Welle
muß in L reinpassen)

  • für ein vorgegebenes E gibt es also \Wurzel(E) mögliche
    Zustände.

Ja, das gilt aber nur wenn du alle Energien von 0 bis E zulässt, wenn du nur ein Energieintervall (E,dE) betrachtest. Musst du N=n(E+dE)-n(E) bilden und kommst mit der Taylorformel wieder zu
N~E^(-1/2) (wegen der Ableitung der Wurzel). Man kann es drehen und wenden wie man will…

Also, bleib munter
Gruß
Oliver

Hallo Schläfer,

auch ich gehöre zu den Murmeltieren in der Vorlesung (wenn vor 11 Uhr…)

Nun sind wir soweit, auch die Physik als bloße Meinung entlarvt zu haben *g*

(1)
Man akzeptiert, dass die Temperatur negativ ist. Was ja auch
nicht weiter tragisch wäre, immerhin ist das Szenario sowieso
nur akademisch und wird in der Natur nie und nimmer
auftauchen.

(2):
Man benutzt den „Rettungsanker“ dE/E=const, was erstens eine
vernünftige Annahme ist und zweitens auch im allgemeinen Fall
mit einer großen Anzahl von Teilchen zum richtigen Ergebnis
führt. (weil eine Exponentänderung von 1 beim Logarithmieren
sowieso vernachlässigt werden kann)

(3):
Man zieht sich ganz aus der Affäre und sagt, dass die
Temperatur für ein Teilchen keine sinnvolle Angabe ist.

Also, ich bin für (2) und damit lass ich es jetzt gut sein.

…und ich bin für (3). *grins*

Okay, ich habe einiges (wieder) gelernt,
besten Dank für die Geduld in der Diskussion.

Ein gängiger Spruch (soll von einem Physik-Prof stammen):
Man lernt nicht Physik, sondern man gewöhnt sich nur daran.

Beste Grüße
Stefan