ЭлементыЭлементы большой науки
Жизнь в науке. Дневники
Главная / Дневники / Константин Ропотенко / Запись

ТЯНЕМ РЕЗИНУ...

amateur
30.01.2008
18:37
В книге Гросберга и Хохлова "Физика в мире полимеров" (библ-ка "Квант") приводится формула для энтропии свободно-сочлененного полимерного клубка

S=const - (R^2)/(Nb^2),

где R - вектор, соединяющий концы клубка и характеризующий общий пространственный размер клубка, b и N - длина отдельного сегмента клубка и их количество в клубке соответственно.

Получается, что чем меньше R, тем больше энтропия. В конце-концов клубок должен сколлапсировать. Почему же мы (как белковые соединения) еще живы? Какова на самом деле максимальная энтропия полимерного клубка?


Ответить предыдущая | следующая

КОММЕНТАРИИ:

30.01.2008 22:38#
Тянем резину...
>Получается, что чем меньше R, тем больше энтропия. В конце-концов клубок должен сколлапсировать. Почему же мы (как белковые соединения) еще живы?

Формула всеже приближенная ИМХО (я ее не выводил но по виду так представляется). И сворачивание клубка не только увеличивает энтропию, но и увеличивает энергию (оталкиваются атомы). Далее идет баланс выигрыша энергии и TS. А белки и сворачиваются в некие клубки. Но, естественно, не нулевого радиуса.
31.01.2008 11:46#
amateur
Тянем резину...
Александр, спасибо за комментарий.
Вы, конечно, правы относительно роли взаимодействий элементов цепи. Однако, идеальный полимер ( в котором отсутствуют объемные взаимодействия) тоже не коллапсирует.

Причина, на мой взгляд, в следующем. Для идеального полимера вероятность различных значений R описывается гауссовым распределением. Поэтому наиболее вероятное значение среднего значения R^2 (вычисленное как интеграл от произведения гауссовского распределения на R^2) как раз равно R^2 = Nb^2, а не нулю. Поэтому максимальная энтропия идеального полимера равна

S=const-1.

Физическая причина почему идеальный полимер не сжимается, на мой взгляд, состоит в энтропии. При уменьшении размеров клубка уменьшается количество способов, конфигураций, которыми полимер мог бы обладать. Возникает упругая сила, имеющая, в полной аналогии с идеальным газом, энтропийную природу. К сожалению, я все же не понимаю, как это следует из формулы и теперь как Сальери "завидую мучительно глубоко" :) тем, для которых все ясно и все это детские вопросы.

Что касается белков. Как я прочел в цитированной книге, ситуация с ними еще более загадочна. В развернутом состоянии молекула ДНК, например, имеет длину около метра. Идеальный полимер такой длины имел бы в свободном состоянии размер порядка 10^-4 м. Однако реальная ДНК умудряется сложиться в ядре клетки, которое имеет размер порядка 10^-6 м и при этом еще не препятствовать биохимическим процессам! Авторы упомянутой мной книги говорят, что этот вопрос до конца еще не понят (на момент написания).

31.01.2008 17:58#
Тянем резину...
К энтропии не стоит так серьезно относиться, это не такое фундаментальное понятие как температура, сила или энергия. Например, что такое энтропия отдельно взятого атома, молекулы? Просто бесмысленное понятие, в отличии от энергии-температуры. Интерпретация энтропии как меры наиболее вероятного состояния системы, ограничивает ее применимость только статическими, равновесными состояниями.

Пригожин Нобелевская лекция по химии 1977г. «Время, структура и флуктуации» "...Я хочу обратить ваше внимание на тот факт, что через 150 лет после того, как второй закон был сформулирован, он все еще представляет собой скорее программу, чем четко очерченную теорию в обычном смысле этого понятия. Действительно, единственное, что второй закон говорит точно о производстве энропии,-знак этой величины. Не определена даже область справедливости неравенства. Это обстоятельство-одна из причин того, почему применение термодинамики, по существу, ограничено анализом равновесных процессов..."
31.01.2008 18:47#
amateur
Тянем резину...
"Во всеобщей фабрике естественных процессов закону сохранения энергии отводится роль лишь бухгалтера, сводящего расход и приход, в то время как роль директора, определяющего вид и направления всех сделок, играет энтропия" (из кн. "Царица мира и ее тень").

В термодинамике энтропия такой же термодинамический потенциал как и энергия. Может ли понятие энтропии быть менее фундаментальным, если оно пронизывает всю науку: от термодинамики до теории информации и теории динамических систем?

В конце-концов, само существование нашей жизни зависит от энтропии: мы едим не для того, чтобы увеличить свою энергию, а чтобы не допустить увеличения энтропии. Точно так же Земля отражает столько же тепла сколько получает Солнца, не меняя своей энергии.

31.01.2008 20:35#
Тянем резину...
"...само существование нашей жизни зависит от энтропии: мы едим не для того, чтобы увеличить свою энергию, а чтобы не допустить увеличения энтропии..."
Сама жизнь демонстрирует факт уменьшения энтропии! Есть и другие факты уменьшения энтропии, так что на роль директора энтропия тянет с некоторой натяжкой.
01.02.2008 10:10#
amateur
Тянем резину...
< Сама жизнь демонстрирует факт уменьшения энтропии!

Роман Романович, так все таки понятие энтропия используется? :)

Второй закон термодинамики о возрастании энтропии

dS/dt >=0

применим к замкнутым системам. Для открытых систем, которыми, в частности являются наши организмы, он не применим. Для открытых систем баланс энтропии может быть записан в виде

dS(общ)/dt =dS(внутр)/dt + dS(внешн)/dt,

т.е., изменение энтропии системы состоит из производства энтропии внутри самой системы, которое в силу 2-го закона всегда положительно, и экспорта энтропии наружу, который может быть как положительным, так и отрицательным.
01.02.2008 10:39#
seasea
Тянем резину...

dS(общ)/dt =dS(внутр)/dt + dS(внешн)/dt

С этим, конечно, трудно спорить. Но как вычислить второе слагаемое? Пример. Термос с газом. Открыли пробку и выпустили 100 молекул. Закрыли пробку. На сколько изменилась общая энтропия?

01.02.2008 11:19#
amateur
Тянем резину...
Евгений, спасибо за интересный вопрос.

Общая энтропия (энтропия мира = энтропия термоса +энтропия окруж. среды) увеличилась:

dS(общ) = d(S(termos) + S (surround)) = (dS(termos)/dN(termos))dN + (dS(termos)/dN(surround))dN =(- m(surround)/T + m(termos)/T)dN,

где dN=100 молекул, T - температура, m - химический потенциал.

И, поскольку m(termos) > m(surround) (молекулы вышли из термоса наружу),

то dS(общ) >0.

Что касается энтропии термоса, то она понизилась на d(S(termos) = (dS(termos)/dN(termos))dN = m(termos)/T)dN,
01.02.2008 13:05#
seasea
Тянем резину...

... поскольку m(termos) > m(surround) (молекулы вышли из термоса наружу)

 А почему? Например, если они вышли не в вакуум, а в атмосферу.

01.02.2008 13:56#
amateur
Тянем резину...
Евгений, вообщем, при прочих равных условиях, химический потенциал выше там, где больше концентрация частиц. Поэтому 100 молекул водяного пара из термоса будут диффундировать из термоса в атмосферу. Вследствии этого фазовый объем термоса, уменьшился и энтропия его, как логарифм фаз. объема, тоже уменьшилась.

Это аналогично процессу уменьшения энтропии тела при передаче тепла менее горячему телу при термическом контакте, dS=-dQ/T, где dQ - количество переданного окружению тепла. Знак минус указывает на то, что система отдает тепло. Энтропия уменьшается (-dS).
01.02.2008 15:26#
amateur
Тянем резину...
Евгений, грубо говоря, энтропия равна КОЛИЧЕСТВУ частиц. Это видно уже из формулы для энтропии идеального газа: фазовый объем газа пропорционален объему в степени N. А энтропия равна логарифму фаз. объема. Когда говорят, например, что энтропия Вселенной равна 10^90, то это значит, что Вселенная содержит такое же число частиц.

Я привел общую формулу для изменения энтропии. Но для оценки по порядку величины, Вы можете спокойно считать, что изменение энтропии термоса вследствии выхода наружу 100 молекул, равно

dS = -100 (в безразмерных единицах), или с использованием постоянной Больцмана, k= 1.38 •10^-23 Дж/град,

dS= -1.38 •10^-21 Дж/град.

Это очень маленькое понижение энтропии.

01.02.2008 15:47#
seasea
Тянем резину...
Да, но во Вселенной (исключая термос) на 100 частиц стало больше. Почему же вклады не равны?
01.02.2008 16:27#
amateur
Тянем резину...
Потому, что не равны объемы термоса и Вселенной. Как известно, фазовый объем газа пропорционален объему в степени N. А энтропия равна логарифму фаз. объема. Зависимость от объема слабая, логарифмическая. Но для термоса и Вселенной это существенная разница.
01.02.2008 13:57#
Тянем резину...
".... Роман Романович, так все таки понятие энтропия используется? :)...."

Ну это я неотрицаю! Я отрицаю фундаментальность энтропии, вернее то, что dS>=0! Это две большие разницы! Вот простенький пример теплообмена двух тел.
dS=dQ1/T1-dQ2/T2 если обмен энергией несимметричен то dS<0. То, что верно для классической термодинамики, для элементарных газов, поршней и прочее в циклах Карно(!) не верно для сложных не симметричных систем! В самом определении изменения энтропии НЕТ ЗАПРЕТА на ее уменьшение. dQ1-dQ2 может иметь ЛЮБОЕ ЗНАЧЕНИЕ! Так же как Т1-Т2. Более мне не хочется говорить от себя. И так мне шьют ярлык «альтернатившика», как будто я такой «глупый», что почему-то никто не смог решить 2 задачу по термодинамике кроме меня.
Прочитайте следующее, для начала.

"...ВОЗМОЖЕН ЛИ ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА?.."

http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6506.html

"Демон позапрошлого века нарушил равновесие круглых молекул

http://www.membrana.ru/articles/global/2007/02/02/194200.html

Если вас это не убедило, то переведите следующие статьи (буду благодарен, если вышлете свой перевод). Думаю, что Вы согласитесь со мной, эксперимент имеет приоритет перед теорией. И это не единственные факты!

"....Первое прямое наблюдение нарушения второго закона термодинамики для малых систем в течении короткого времени представляет вроде бы сугубо академический интерес, однако не все так просто. Нарушение второго закона термодинамики для малых систем (и на не таких уж малых временных масштабах, как мы видим, - порядка секунды) может оказаться существенным при работе наноразмерных машин, поэтому с термодинамической точки зрения наномашины нельзя рассматривать просто как уменьшенную копию обычных машин....."
1. G.W.Wang, E.M.Sevick, Emil Mittag et al. Phys.Rev.Lett., v.89, 050601 (2002).

"....Если мы передаем системе энергию, мы увеличиваем ее температуру - таков, вроде бы, естественный порядок вещей. Но, как это ни покажется странным с точки зрения повседневного опыта, существуют системы с отрицательной теплоемкостью: увеличивая энергию системы, мы вызывает ее ... охлаждение. Давно известно, что отрицательной теплоемкостью обладают звезды. Оказывается, однако, что со столь экзотическими объектами можно встретиться и в земных условиях. В частности, некоторое время назад было предсказано, что теплоемкость атомных кластеров (объектов, состоящих из нескольких десятков или сотен атомов) вблизи фазового перехода (твердое тело - жидкость) должна быть отрицательной. Группе ученых из Фрейбургского университета [1] удалось экспериментально подтвердить это предсказание...."
2. Martin Schmidt, Robert Kusche, Thomas Hippler et al. Phys.Rev.Lett. v.86, 1191 (2001).

06.02.2008 10:26#
amateur
Тянем резину...
Роман Романович, к сожалению, я не могу комментировать Ваши утверждения, так как я их не понял.

На сколько мне известно, второй закон термодинамики о возрастании энтропии в замкнутых системах еще никем не опровергнут.

Я не знаю "сложных несимметричных систем" на которые Вы ссылаетесь, поэтому я не понимаю, как они могут привести к нарушению dS>=0.

Для систем с отрицательной температурой несправедливы некоторые формулировки второго закона, но не dS>=0 для замкнутых систем.

Я также не понял, как известные науке системы с отрицательной теплоемкостью нарушают dS>=0. Черные дыры, например, как и все гравитирующие системы также имеют отрицательную теплоемкость, но и для них закон dS>=0 справедлив.

01.02.2008 00:56#
Тянем резину...
>К энтропии не стоит так серьезно относиться, это не такое фундаментальное понятие как температура, сила или энергия. Например, что такое энтропия отдельно взятого атома, молекулы? Просто бесмысленное понятие, в отличии от энергии-температуры.

Это уже слишком. В конце-концов T=dE/dS просто по определению. Теммпература отдельного, не взаимодействующего атома столь же бессмыслена, как энетропия отдельного, не связанного с термостатом атома. Температура это "энергия" в весьма ограниченном смысле!
31.01.2008 19:11#
vortex
Тянем резину...
Рекомендую почитать  книгу An Introduction to Polymer Physics, автор David I. Bower.В свободном доступе книга здесь
01.02.2008 10:11#
amateur
Тянем резину...
Юрий, большое спасибо за ссылку.

P.S. Книга открывается, поэтому я удалил свою просьбу. Извините, за лишнюю тревогу.
31.01.2008 21:34#
lesnik
Тянем резину...
Энтропия - это логарифм от числа вариантов, соответствующих определённому состоянию. В данном случае все состояния отличают по параметру R - расстоянию между концами молекулы.

Как Вы правильно заметили, верно распределение Гаусса для этой величины A*exp(-R^2/2sigma^2), которое следует из теории случайных блужданий (диффузии), по сути закона больших чисел. Здесь, sigma=sqrt(N)b - дисперсия этой случайной величины. Если прологарифмировать, то получится const - R^2/2Nb^2. Т.е. энтропия оказывается минимальной когда R=0, но R - это не размер молекулы, а наиболее верятное расстояние между её концами. Размер же молекулы определяется дисперсией и равен sqrt(Nb^2).

Т.е. по сути эта формула ничего интересного не даёт - минимуму энтропии соответствует состояние, когда концы совпадают.

Другое дело, если бы получить само гауссово распределение величины R из условия минимума энтропии и сказать, что в этом случае минимуму энтропии соответсвует, во-первых, гауссово распределение, и, во-вторых, дисперсия этой величины, среднеквадратичное отклонение элементов молекулы от её начала, равна sqrt(Nb^2), что определяет размер молекулы.

Наверное, минимум энтропии зашит как-то в закон больших чисел. Но я не могу так сразу это проследить.
01.02.2008 10:53#
amateur
Тянем резину...
Иван, большое спасибо Вам за комментарий и, в особенности, за Вашу идею обратной задачи.

Действительно, плотность вероятности максимальна, когда R=0, т.е., когда концы цепи совмещены. Но это не значит , что наиболее вероятная длина цепи равна нулю. Вероятность того, что АБСОЛЮТНАЯ длина цепи находится в интервале от R до R+dR пропорциональна объему сферического слоя 4pi(R^2)dR (как в распределении Максвелла для абсолютного значения скорости молекулы газа). Отсюда и наиболее вероятное среднеквадратичное значение Nb^2.

В формуле для энтропии мы используем не распределение Гаусса для абсолютных значений R, а для значений вектора R. Почему же тогда для определения максимальной энтропии полимера мы должны в формулу для энтропии полимера подставлять sqrt(Nb^2) вместо R=o? Мне это не ясно.


01.02.2008 15:47#
lesnik
Тянем резину...
Константин,

геометрический фактор здесь непричём. Проще рассмотреть вообще только одну проекцию молекулы или, если хотите, одномерную молекулу. Пусть R(N)=x1+x2+x3+...+xN - расстояние между концами этой молекулы, xi - это дискретные случайные величины, принимающие значения либо b, либо -b. xi соответсвует разности координат i+1 и i атомов (тут я поправил своё предыдущее определение этих величин). Если различные состояния молекулы различать по значению для них величины R, то для нахождения энтропии, как функции от R, надо найти число всех возможных конфигураций молекулы для данного значения R, f(R), и прологарифмировать эту функцию. При этом максимум энтропии по R будет соответсвовать наиболее вероятному значение R. Распределение f(R) при больших значениях R стремится к гауссову распределению (центральная предельная теорема). Что значит стремится? Значит число конфигураций для данного R негауссова вида - очень мало. Ими пренебрегают. Надо заметить, что это пренебрежение не может повлиять на нахождение максимума энтропии как функции R, т.к. максимум соответствует состоянию, которое представлено наибольшим количеством конфигураций. Как мы уже выяснили, максимум энтропии соответсвует R=0. Это означает, что наиболее вероятное состояние молекулы, когда её конец совпадает с её началом. И ещё при переходе к большим числам мы оставили в рассмотрении только гауссовы распределения этой величины с дисперисей DR=Nb^2. Формально, о размере молекулы это никак не говорит. Можно только сказать, что т.к. наиболее вероятное расстояние между началом и концом лежит в пределах среднего квадратичного отклонения - корня из дисперсии, то и наиболее вероятный размер молекулы (расстояние, на котором находится большая её часть) будет иметь такое же значение.

Как я заметил, в данном случае можно было различать состояния молекулы по значению среднего квадрата расстояний её атомов от начала. Это величину можно определить как <x^2>=R(1)^2+R(2)^2+R(3)^2+...+R(N)^2. Здесь R(n) - расстояния от n-ого атома до начала молекулы. Если распределение величины R(n) по центральной предельной теореме (ЦПТ) есть гауссова функция (мы уже здесь пренебрегаем тем, что для малых n - это не так), то распределение <x^2> соответсвует распределению Пирсона (или хи-квадрат). При больших значениях N оно тоже стремится к гауссову распределению с математическим ожиданием в данном случае Nb^2. Таким образом, если найти энтропию по этому распределению, мы получим нечто вроде S=const-(<x^2>-Nb^2)^2/const. Максимум энтропии, как и положено, будет соответствовать значению среднего квадрата <x^2>=Nb^2 или значению среднего квадратичного отклонения sqrt(N)b (что соответсвует размеру молекулы).

По поводу размера ДНК. В отличие от белков эта молекула имеет виддвойной спирали, т.е. взаимодействия между её звеньями велики. Если, например, приложить момент кручения к железному пруту, то при некотором значение этого момента возникает неустойчивость Эйлера - прут изгибается в каком-то месте. Я думаю, нечто подобное происходит и с молекулой ДНК. Под действием этого внутренного кручения она сгибается через определённое расстояние, что делает её более компактной в пространстве по сравнению с идеальной молекулой. Вы, наверное, знакомы с книжкой Франк-Каменецкого из библиотечки Квант "Самая главная молекула" (она есть на сайте poiskknig.ru). Может быть там подробнее этот вопрос рассмотрен (но, кажется, нет).
05.02.2008 16:11#
amateur
Тянем резину...
> Как мы уже выяснили, максимум энтропии соответсвует R=0. Это означает, что наиболее вероятное состояние молекулы, когда её конец совпадает с её началом. Формально, о размере молекулы это никак не говорит.

> ...можно было различать состояния молекулы по значению среднего квадрата расстояний её атомов от начала...

Иван, я с Вами совершенно согласен - состояние полимера можно описывать по-разному. Все эти описания - или радиус (координата), или расстояние - совершенно равноправны. В зависимости от этого будут и разные выражения для энтропии.

Для радиуса R: S=const(1) - 3R^2/2Nb^2

т.е., для распределения конформаций полимера, который начинается в начале системы координат и заканчивается, в точке R
P(R,N) = [3/2piNb^2]^3/2 exp(-3R^2/2Nb^2).

Тогда S(max)=const(1) при R=o (концы совмещены).


Для расстояния R: S=const(2) - 3R^2/2Nb^2 + 2lnR

т.е., для распределения конформаций полимера, который начинается в начале системы координат и заканчивается, в любой точке на расстоянии R от начала
P(R,N) = 4piR^2 [3/2piNb^2]^3/2 exp(-3R^2/2Nb^2).


Тогда S(max)= const(2) - 1 + 2ln(2Nb^2/3)

для наиболее вероятного размера полимера R=2Nb^2/3.

P.S. Дeйствительно ли значения энтропии при этом не должны совпaдать?
05.02.2008 19:06#
lesnik
Тянем резину...
Во втором случае, Вы перешли от независимых переменных Rx, Ry, Rz - координат конца молекулы по соответствующим осям (предполагаем, что начало находится в нуле) к перемнной R^2. Её наиболее вероятное значение (которое обеспечивает максимум энтропии) уж точно не равно нулю (квадарт расстояния), хотя наиболее вероятные значения Rx, Ry, Rz равны нулю.

Можно также поступить и в одномерном случае: от Rx перейти к Rx^2. Тогда наиболее вероятное значение Rx будет нуль, а Rx^2 - конечное число.

Ваш первый случай как раз соответствует переменной Rx.

Почему, возможно, лучше говорить о независимой переменной <x^2> - средний квадрат расстояний атомов от начала молекулы? Потому что он в большей степени возможно характеризует среднюю потенциальную энергию взаимодействия её частей, т.е. примерно можно положить <x^2>=E. А зная зависимость энтропии от энергии, можно находить термодинамические свойства молекулы. Например, как её размер меняется с температурой. Хотя, возможно, примерно с той же точностью можно положить и R^2=E.
06.02.2008 10:13#
amateur
Тянем резину...
Иван, спасибо за комментарий.

Я с Вами согласен. Но вопросы все же остаются нерешенными.

Во-первых, чему равна максимальная энтропия полимера? - Сonst ?
Но тогда каково точное выражение для этого сonst ?

Во-вторых, равны ли энтропии полимера, определенные через радиус R и через наиболее вероятное значение R(н) ?

И последнее. Я не понял Ваше последнее утверждение.
> Почему, возможно, лучше говорить о независимой переменной <x^2> - средний квадрат расстояний атомов от начала молекулы? Потому что он в большей степени возможно характеризует среднюю потенциальную энергию взаимодействия её частей, т.е. примерно можно положить <x^2>=E.

Но, Иван, как Вы знаете, в идеальном полимере нет потенциальной энергии и внутренняя энергия полимера не зависит от x или от <x^2>. Или я Вас не правильно понял?


06.02.2008 13:54#
amateur
Тянем резину...
> Во-первых, чему равна максимальная энтропия полимера? - Сonst ?
Но тогда каково точное выражение для этого сonst ?

Для радиуса R энтропия равна S=const(1) - 3R^2/2Nb^2. Энтропия равна нулю, когда R=Nb. Поэтому const(1)=3/2N и максимальное значение энтропии равно S(max)=3/2N.




06.02.2008 15:58#
lesnik
Тянем резину...
Давайте, по порядку. Энтропия - это логарифм от числа вариантов, которыми может быть представлено данное состояние. Далее, надо выбрать, каким образом мы будем отличать различные состояния. Если по набору переменных Rx, Ry, Rz, то у нас получится энтропия, как функция этих величин: S = const - 3(Rx^2+Ry^2+Rz^2)/2Nb^2. Если по переменной R^2=Rx^2+Ry^2+Rz^2, то S = const - 3R^2/2Nb^2 + ln(R^2). Константы определяются просто как логарифм от нормировки функции распределения. В первом случае максимуму энтропии соответствует Rx=Ry=Rz=0, во втором - R^2=2Nb^2/3.

Кстати сказать, в одномерном случае максимум энтропии соответсвует Rx^2=0, что никак не говорит о размере молекулы (ведь и в одномерном случае она тоже имеет размер порядка Nb^2). Поэтому я предложил искать энтропию скорее как функцию величины <x^2>, её максимум в любом измерении будет давать размер молекулы <x^2> порядка Nb^2.

Я не знаю, какой смысл имеет энтропия в данном случае. Если надо найти состояние с максимальной энтропией (наиболее вероятное), то его можно найти просто по функции распределения (действительно, точки максимума функции и её логарифма совпадают).

В Ландафшице (т.5), различные состояния различают по их энергии. И таким образом находят энтропию, как функцию энергии, что позволяет связать её с температурой и т.д. К идеальной молекуле это, конечно, не относится. Её форма, если я не ошибаюсь, не будет зависить от температуры вовсе. Но если попробовать ввести внутренее взаимодействие между её частями и определить его энергию, скажем, через среднее расстояние между атомами, то можно как-то с этими величиннами повозиться. Это моё предположение. Я не читал цитируемую Вами книжку, и не знаю, как её авторы используют найденную ими энтропию. Например, я думаю, можно было бы попробовать определить как зависит размер молекулы со взаимодействующими атомами от температуры (при нулевой температуре он имеет одно значение, по мере повышения температуры, клубок должен как-то разворачиваться, если интуиция правильно подсказывает).
06.02.2008 17:25#
amateur
Тянем резину...
> Если по переменной R^2=Rx^2+Ry^2+Rz^2, то S = const - 3R^2/2Nb^2 + ln(R^2). Константы определяются просто как логарифм от нормировки функции распределения. В первом случае максимуму энтропии соответствует Rx=Ry=Rz=0, во втором - R^2=2Nb^2/3.

Полностью вытянутое состояние полимера одно - R=Nb. В первом случае из условия равенства нулю энтропии в этом состоянии я могу получить

S(max)=3/2N.

Однако, число микросостояний не равно плотности вероятности состояний, хотя и пропорционально ей. Поэтому во втором случае энтропия содержит размерную величину под знаком логарифма и я сразу не знаю, как от нее избавиться.

Но энтропии должны быть равны независимо от переменных, выбранных для ее описания. Поэтому во втором случае полимер имеет также единственное вытянутое состояние R=Nb. Приходится надеется, что во втором случае также S(max)=3/2N. Но я не могу этого показать.
06.02.2008 19:33#
lesnik
Тянем резину...
В общем случае, классическая энтропия - действительно, размерная величина (точнее логарифм размерности, смотрите там же т.5 ландафшица) и её абсолютное значение - неоднозначно, а имеет смысл лишь её изменение (в квантовом случае число состояний - безразмерно: dpdx/h^3). Но в данном случае, нет скоростей, а для координат есть естесственный параметр длины b. Поэтому можно обезразмерить R, т.е. рассматривать случайные величины x=R/b.

"...Но энтропии должны быть равны независимо от переменных, выбранных для ее описания. ..."

Я так не считаю, по крайней мере, в этом не уверен. Энтропия - это логарифм числа состояний с определённым значением определённого параметра (характеризующего состояние). Если вы выбирате разные параметры, то и энтропии будут разными. Число состояний, когда конец молекулы находится от начала на расстоянии R гораздо больше, чем когда он - в точке с координатой (Rx,Ry,Rz).
07.02.2008 11:05#
amateur
Тянем резину...
> Число состояний, когда конец молекулы находится от начала на расстоянии R гораздо больше, чем когда он - в точке с координатой (Rx,Ry,Rz).

Согласен, Иван, Вы правы.
Большое спасибо за комментарии.
31.01.2008 23:32#
lesnik
Тянем резину...
В данном случае, закон больших чисел (центраьная предельная теорема) из всех конфигураций для данного значения R оставляет только те, что имеют гауссову форму (вес остальных очень мал, ими пренебрегают). И уже приближённую формулу потом используют для нахождения зависимости энтропии от R. Минимизируя такую формулу, мы найдём только минимум энтропии по R, а распределение величины R уже фиксировано центральной предельной теоремой.

Строго говоря, если бы мы хотели найти, какое среднее квадратичное расстояние от частей молекулы до её начала, <x^2>, соответствует минимуму энтропии, то надо было написать распределение для этой величины <x^2>. Потом взять его логарифм, а потом смотреть для какого значения <x^2> энтропия минимальна. Как это сделать я не знаю. Величина R очень проста R=x1+x2+x3+...+xN, где xi - координаты i-ого атома (её распределение находится по центральной предельной теореме), тогда как <x^2>=sqrt((x1^2+x2^2+X3^2+...+xN^2)/N) более сложная функция.

Вести дневник и оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи
Логин:
Пароль:
Зарегистрироваться
Последние сообщения
Помощь
Всего дневников: 654

Пользователей
в системе: 2784

Всего записей
и комментариев: 50250

Записей и комментариев
за последние 24 часа: 18

АКТИВНЫЕ ДНЕВНИКИ


 
Энциклопедия | Новости | Блоги | Календарь | Право | Библиотека | Детские вопросы | ЖОБ При поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия