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統計的アンサンブル

1902
  • J. Willard Gibbs
熱力学における統計的アンサンブルの計算シミュレーションの実験風景。.

(画像はイメージです)

統計的アンサンブルとは、システムの仮想コピーを多数集めた概念的なツールであり、各コピーは可能なミクロ状態を表す。アンサンブル内のすべてのシステムの特性を平均化することで、巨視的な観測量を計算できる。主な種類は、ミクロカノニカル(N、V、Eが固定された孤立系)、カノニカル(N、V、Tが固定された閉鎖系)、およびグランドカノニカル(μ、V、Tが固定された開放系)である。

J・ウィラード・ギブスによって定式化されたアンサンブルの概念は、統計力学のための厳密な数学的枠組みを提供する。単一のシステムを時間的に追跡する(多くの場合不可能である)代わりに、同一システムの集合をある瞬間に考察する。エルゴード仮説として知られる基本的な仮定は、単一システムにおけるある特性の時間平均が、アンサンブル平均と等しいと仮定する。

それぞれのアンサンブルは特定の物理的状況に対応しています。 マイクロカノニカル・アンサンブル これは、粒子の総数 (N)、体積 (V)、およびエネルギー (E) が一定である完全に孤立したシステムを表します。そのエネルギーを持つすべてのミクロ状態は等しい確率で発生すると仮定されます。 カノニカル・アンサンブル 大きな熱浴と熱接触しているシステムを記述し、エネルギー交換を可能にする。ここでは、NとVは固定されているが、エネルギーの代わりに温度(T)が一定である。ミクロ状態の確率はボルツマン因子によって与えられる。 グランド・カノニカル・アンサンブル これは、エネルギーと粒子をリザーバーと交換できる開放系を対象としています。一定の化学ポテンシャル(μ)、体積(V)、温度(T)を特徴としています。アンサンブルの選択は問題の物理的制約に依存し、計算には正準アンサンブルが最も一般的に使用されます。

UNESCO Nomenclature: 2211
熱力学

タイプ

抽象システム

混乱

基礎

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ルートヴィヒ・ボルツマンによる熱力学の統計的解釈
  • The development of Hamiltonian mechanics, which defines the phase space of a system
  • カルノー、クラウジウス、ケルビンによって発展した古典熱力学
  • 理想気体のマクスウェル・ボルツマン統計

アプリケーション

  • condensed matter physics to model solids and liquids
  • 計算化学シミュレーション(例:分子動力学)
  • 恒星の内部構造と大気をモデル化するための天体物理学
  • タンパク質の折り畳みや分子間相互作用を研究するための生物物理学
  • 金融市場をモデル化するための経済物理学

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:アンサンブル、ギブス、ミクロカノニカル、カノニカル、グランドカノニカル、位相空間、統計物理学、熱力学。

歴史的背景

統計的アンサンブル

1900
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1900-12-14
1902
1904
1907
1909
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1902
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1909
1910

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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