Il teorema di equipartizione dell’energia

Sappiamo tutti che l’energia di un gas ideale in tre dimensioni è E=32NkT. Abbiamo infatti 12kT unità di energia per ogni grado di libertà, e abbiamo tre gradi di libertà per ogni particella, corrispondenti alle tre dimensioni spaziali. Questa formula può essere generalizzata.

Il teorema di equipartizione dell’energia afferma che data un’Hamiltoniana della forma:

H=Apa+Bqb

l’energia del sistema è data da E=(1a+1b)NkT

Il risultato è particolarmente interessante perché è indipendente dalla forma specifica dell’Hamiltoniana e dipende soltanto dalla potenza delle variabili. L’unico caveat è il caso in cui uno dei due coefficienti (A o B) sia nullo: in tal caso ovviamente il termine corrispondente non compare.

Per dimostrare l’affermazione possiamo fare direttamente i calcoli. La funzione di partizione per una particella è:

Z1dpdqeβH=dpeβApadqeβBqb

Consideriamo il primo integrale e sostituiamo xa=βpa. Allora

dpeβApa=1β1/adxeAxa1β1/a

Possiamo tranquillamente ignorare tutto ciò che non dipende da β, perché come vedremo fra poco si cancella nell’espressione dell’energia. Applicando lo stesso trattamento anche al secondo integrale otteniamo:

Z1β(1/a+1/b)

dove appunto la costante di proporzionalità non dipende da β. Per cui la funzione di partizione per N particelle è:

ZZN1βN(1/a+1/b)

L’energia del sistema è data da:

E=logZβ

Per cui se Z è il prodotto di un termine che dipende da β e uno che non dipende da β, il logaritmo lo trasformerà nella somma di un termine che dipende da β e di uno che non dipende da β, che sarà pertanto azzerato dalla derivata. Quindi tutti i termini che non dipendono da β sono irrilevanti. Calcolando esplicitamente la derivata otteniamo il risultato richiesto:

E=(1a+1b)NkT

Per cui ad esempio in un gas ideale monodimensionale (niente b) la cui dipendenza energetica ha la forma p2, l’energia è (1/2)NkT. Allo stesso modo un gas ultrarelativistico (Hp) avrà energia NkT.

Il teorema può essere facilmente generalizzato nel caso di più dimensioni: se infatti

H=iAipaii+Biqbii

allora l’energia sarà data da

E=(i1ai+1bi)NkT

e in particolare non dipende dai coefficienti delle coordinate.

Esiste una versione più rigorosa del teorema di equipartizione, ma questo è il contenuto intuitivo.

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