Contagem de microestados, extensividade e correção por N! para partículas indistinguíveis.
Ocorrem quando as partículas ocupam posições fixas e identificáveis no espaço, como átomos em uma rede cristalina . Cada sítio da rede "rotula" a partícula.
| Exemplo: 2 Partículas (A,B), 2 Níveis (\(\varepsilon_1, \varepsilon_2\)) | |
|---|---|
| Estado 1: (A na \(\varepsilon_1\), B na \(\varepsilon_1\)) | Estado 2: (A na \(\varepsilon_2\), B na \(\varepsilon_2\)) |
| Estado 3: (A na \(\varepsilon_1\), B na \(\varepsilon_2\)) | Estado 4: (A na \(\varepsilon_2\), B na \(\varepsilon_1\)) |
| Total: 4 Microestados (\(2^2\)) | |
Típico de gases ideais , onde as partículas se movem livremente. Não há como distinguir qual molécula ocupa qual estado de momento ou posição.
| Exemplo: 2 Partículas Idênticas, 2 Níveis (\(\varepsilon_1, \varepsilon_2\)) | |
|---|---|
| Config 1: (Ambas na \(\varepsilon_1\)) | Config 2: (Ambas na \(\varepsilon_2\)) |
| Config 3: (Uma na \(\varepsilon_1\), outra na \(\varepsilon_2\)) | |
| Total: 3 Microestados (Bosons) | |
O problema aparece quando partículas idênticas de um gás são tratadas como se fossem distinguíveis. Para um gás ideal clássico, a função de partição de uma partícula é proporcional ao volume disponível, \(Z_1 = V/\lambda_T^3\), em que \(\lambda_T\) é o comprimento de onda térmico de de Broglie.
Da energia livre de Helmholtz, \(F=-k_B T\ln Z_N\), obtemos no caso distinguível:
Agora teste a extensividade, fazendo \(N\to \alpha N\) e \(V\to \alpha V\). Surge um termo extra:
Como aparece o termo adicional \(\alpha N k_B\ln\alpha\), a entropia não escala linearmente com o tamanho do sistema. Essa é a forma estatística do paradoxo de Gibbs.
A correção é reconhecer que permutar partículas idênticas não produz um novo estado físico. Por isso dividimos a contagem por \(N!\):
Usando Stirling, \(\ln N!\simeq N\ln N-N\), a energia livre corrigida fica
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