Statistical Thermodynamics

Abstract

The theory of statistical thermodynamics reproduces the macroscopic properties of matter based on the microscopic molecular interactions. This depends on the statistical laws which produce the complex behavior of the macroscopic systems from the simpler interaction potentials. The theory predicts the state laws, the mean molecular structure and the dynamics of matter. Conversely, the macroscopic data can be reduced to microscopic information such as the intermolecular potentials. The latter can be used for the calculation of other equilibrium and kinetic properties of matter. The theory is applied to molecular systems in equilibrium, such as the ideal and real gases, liquids, crystals, electron and phonon gases, quantum systems, etc<br/>Similarly, the development of computer programming permits the simulation of thermodynamic systems with the calculation of the particle positions in time and their analysis based on statistical mechanics. This new approach for the calculation of macroscopic properties through molecular dynamics simulation and the stochastic Monte Carlo method is useful for the prediction of properties and the determination of microscopic interactions from experimental data.<br/>.

H στατιστική θερμοδυναμική αναπαράγει τις μακροσκοπικές θερμοδυναμικές ιδιότητες της ύλης με βάση τις μικροσκοπικές μοριακές αλληλεπιδράσεις. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω των νόμων της στατιστικής, που παράγουν την σύνθετη φαινομενολογική συμπεριφορά της ύλης στην ισορροπία από τις απλούστερες αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων. Μέσω της θεωρίας μπορούν να προβλεφθούν καταστατικοί νόμοι αλλά και η μέση μοριακή δομή και η δυναμική συμπεριφορά της ύλης. Αντίστροφα, τα μακροσκοπικά πειραματικά δεδομένα μπορούν να αναχθούν στις διαμοριακές αλληλεπιδράσεις και να υπολογισθούν διαμοριακά δυναμικά. Αυτή η διαδικασία συμπυκνώνει την φυσκή πληροφορία σε μικροσκοπικές ποσότητες, που με την σειρά τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό πολλών θερμοδυναμικών και κινητικών ιδιοτήτων. Η θεωρία εφαρμόζεται για κάθε μακροσκοπικό σύστημα στην ισορροπία, όπως τα ιδανικά και πραγματικά αέρια, τα υγρά, οι κρύσταλλοι, τα αέρια ηλεκτρονίων και φωνονίων, τα κβαντικά συστήματα, κλπ.<br/>Παράλληλα, η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών επιτρέπει την προσομοίωση των θερμοδυναμικών συστημάτων με τον υπολογισμό των θέσεων των σωματιδίων στο χρόνο και την επεξεργασία τους με βάση την στατιστική μηχανκή. Αυτός ο νέος τομέας υπολογισμού μακροσκοπικών ποσοτήτων μέσω των προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής καθώς και της στοχαστικής μεθόδου Μόντε Κάρλο είναι χρήσιμος για την πρόβλεψη ιδιοτήτων αλλά και αντίστροφα, για τον προσδιορισμό των μικροσκοπικών αλληλεπιδράσεων με βάση τα πειραματικά δεδομένα.