입자운동과 통계역학

 

입자운동과 통계역학

한 입자의 운동에는 위아래, 좌우, 전후, 뉴턴의 역학방법에 따라 그 운동방향을 정하면 그 운동속도, 궤적 등을 계산할 수있는  자유도가 3개 존재하지만, 입자마다 자유도가 3개씩 있고, 다량의 입자일 경우 계산할 수 없는 자유도의 양이 더해져 전체 운동효과를 계산할 수 없으며, 통계방법으로 계산할 수 있는 확률론적 방법 밖에 없습니다. 볼츠만은 통계적 기법과 뉴턴 역학 원리로 입자 운동을 다량 계산해냈습니다.

S = k(lnΩ)

20세기 초 양자역학이 나타나자 물리학자들은 다시 양자역학 계산방법으로 열역학 문제를 연구한 결과 볼츠만의 공식과 유사한 결과를 얻었으며 양자역학은 미시세계를 연구하는 데 가장 효과적인 도구였으며, 전기역학과 비균형물리역학은 양자역학 범주에 속하는 것으로 고전역학의 공식을 응용한 것이 아니므로 통계물리학의 내용을 산출할 수 없었습니다.

에너지는 많은 존재 형식이 있을 수 있으며,역학 현상 중 물체는 운동 에너지와 위치 에너지가 있습니다. 물체는 내부 운동을 하기 때문에 내부 에너지가 있습니다. 19세기 시스템 실험 연구는 열은 물체 내부의 무질서한 운동 에너지의 표현이기 때문에 이를 내부 에너지라고 불렀으며 이전에는 열 에너지라고 불렸습니다. 19세기 중반 J.P.조르 등은 실험으로 열과 공 사이의 정량적 관계를 결정하고, 이에 따라 열역학 제 1법칙을 세웠습니다: 거시적 기계운동의 에너지와 내적 에너지는 서로 바뀔 수 있습니다. 고립된 물리 시스템의 경우, 에너지의 형식이 어떻게 상호 전환되든 상관없이 총 에너지의 수치는 변하지 않으며 열역학 제1법칙은 바로 에너지 보존과 전환의 법칙의 표현입니다.

S.카노의  연구결과를 바탕으로 R. 크로시우스 등은 열역학 제2법칙을 제시했습니다. 열에 관련된 모든 객관적 과정의 발전 방향을 제시하고 거시적 비균형 과정의 불가역성을 표현했습니다. 예를 들어 고립된 물체의 경우 내부 곳곳의 온도가 다르면 열은 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 흐르며, 나중에는 온도가 각각 같은 상태, 즉 열평형 상태에 이릅니다. 반대로 고립된, 내부 온도가 같은 물체가 자동으로 온도가 다른 상태로 되돌아가는 것은 불가능하다는 것입니다. 엔트로피라는 개념을 응용해 열역학 제2법칙을 고립된 물리적 시스템의 엔트로피는 시간이 지남에 따라 감소할 수 없으며 증가하거나 유지될 수밖에 없다는 표현도 가능합니다. 엔트로피가 최대치에 도달하면 물리적 시스템은 열평형 상태에 놓이게 됩니다.