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
Per dimostrare l’affermazione possiamo fare direttamente i calcoli. La funzione di partizione per una particella è:
Z1∝∫dp∫dqe−βH=∫dpe−βApa∫dqe−βBqb
Consideriamo il primo integrale e sostituiamo xa=βpa. Allora
∫dpe−βApa=1β1/a∫dxe−Axa∝1β1/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:
Z1∝β−(1/a+1/b)
dove appunto la costante di proporzionalità non dipende da β. Per cui la funzione di partizione per N particelle è:
Z∝ZN1∝β−N(1/a+1/b)
L’energia del sistema è data da:
E=−∂logZ∂β
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 (H∼p) 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.