¿Se rompen algunas de las leyes de la termodinámica en la mecánica cuántica?

No sé si esta es una pregunta estúpida ya que no soy un experto en termodinámica y ciertamente no soy un experto en QM.

Entonces, sabemos que las leyes de la termodinámica son leyes basadas en estadísticas. Por lo tanto, requieren más de un cuerpo (más de una partícula) para tener significado. En QM tenemos las partículas más pequeñas actualmente conocidas y por lo tanto tenemos problemas que tienen que ver con una o dos partículas (en ejercicios por ejemplo).

Entonces, refiriéndose a la segunda ley, ¿la entropía siempre debe aumentar en QM? Si no, ¿cómo se traduce en que siempre ocurre en el mundo macro? ¿Cuáles son las diferencias en el enfoque y por qué existen?

Nota: Nuevamente, soy un novato en estos temas, así que no dé una respuesta que tenga definiciones que solo alguien con experiencia en esos temas conocerá. Además, si necesita alguna aclaración, solo dígala y editaré la pregunta.

Hola, sin ofender, ¿podrías editarlo un poco, con párrafos? Supongo que, como novato en qm, las leyes son diferentes, pero estaré muy interesado en las respuestas que obtenga. Gran pregunta, imo saludos
De hecho, no sé cómo poner párrafos. Presiono enter y los crea, pero cuando termino, ¡los párrafos desaparecen! :D
¡Lo encontré! doble espacio!
Sí, eso también sucede en mis comentarios, y termino enviando un comentario a medio terminar en esta tableta cuando presiono la tecla de retorno. Además, los símbolos matemáticos no se representan en mi tableta, John Rennie me dijo que era un error en el sistema.
Dado que la termodinámica es un subconjunto de la física estadística clásica, no todas sus leyes se conservarán cuando pasemos a la física estadística cuántica. Sería útil si se concentrara en una ley en particular que tenga en mente y la desarrollara.
No tengo una sola ley. Solo pregunto en general por curiosidad. Si sabe cuáles se aplican y cuáles no se aplican y por qué, ¡siéntase libre de compartir!
@ACuriousMind Perdóname, Landos, es tu pregunta que reconozco plenamente, pero ¿podría sugerir que desarrolles un poco la segunda ley? ¿Debe aumentar siempre la entropía en qm .? Si no, ¿cómo se traduce en que siempre ocurre en el mundo macro? Puedo poner esto como mi propia pregunta más tarde si lo prefiere... gracias
ok, lo editare!
Tenga en cuenta también que hay un subcampo completo que explora esta pregunta: la termodinámica cuántica. Esto trata cuestiones como: ¿Cómo se ven las leyes termodinámicas en el entorno cuántico, cuáles son las diferencias y cómo se obtiene la termodinámica clásica como límite? Aquí hay un enlace a varias personas interesadas en el tema: qut.ethz.ch - vea también sus publicaciones: qut.ethz.ch/resources/publications

Respuestas (1)

Para responder a su pregunta, primero debemos saber por qué necesitamos la mecánica cuántica en la termodinámica: en la mecánica cuántica, puede atribuir una función de onda (para ser un paquete de onda preciso) a una partícula. Función de onda de una sola partícula.

A altas temperaturas, las partículas pueden representarse como bolas de billar porque su tamaño es mucho más pequeño en comparación con la distancia entre partículas. Pero a medida que el gas se enfría, las partículas se acercan cada vez más y sus paquetes de ondas se superponen entre sí.Funciones de onda de dos partículas

"Longitud de onda de De Broglie" es la longitud de onda de estas ondas de partículas. En el límite, la "longitud de onda térmica" (una constante multiplicada por la longitud de onda de De Broglie) es más pequeña que la distancia entre partículas que estamos en el régimen clásico, pero si la longitud de onda térmica es comparable o más larga que la distancia entre partículas, entonces debemos considerar los efectos mecánicos cuánticos.

Ahora que sabemos que a temperaturas más bajas necesitamos usar la mecánica cuántica en lugar de la mecánica clásica, volvemos a tu pregunta. La diferencia fundamental que conduce a fenómenos diferentes e interesantes en la estadística cuántica es que las partículas en el sistema mecánico cuántico son indistinguibles. Lo que significa que si intercambia dos partículas, el hamiltoniano del sistema no cambia. que produce la función de onda que describe el sistema tiene que ser simétrica o antisimétrica bajo partículas intercambiables (para una prueba, consulte la página 104 de Introducción a la física estadística de Kerson Huang)

Si la función de onda es simétrica llamamos al sistema "Bose Gas" y si es antisimétrica lo llamamos "Fermi Gas". En el gas Bose, dos o más partículas pueden ocupar el mismo estado, mientras que en el gas Fermi, cada estado está vacío u ocupado por una partícula. Esto conduce a un comportamiento tan diferente entre el gas Bose y el gas Fermi. Por ejemplo, los electrones en los sólidos se pueden considerar como gas de Fermi y los fotones como gas de Bose.

Los comportamientos de la mecánica cuántica son muy diferentes de lo que se espera de la termodinámica clásica, pero en el límite de alta temperatura se puede demostrar que tanto los gases de Fermi como los de Bose se acercan a la estadística clásica y se obtiene la misma termodinámica clásica.

Un último ejemplo interesante es que en la termodinámica clásica podemos encontrar la entropía del gas hasta una constante, pero en la estadística cuántica podemos encontrar las constantes exactas en la fórmula de entropía, por lo que en ese sentido da más información que la termodinámica clásica.

@Landos Adam hola, ¿es demasiado simplista decir que en el mundo macro, por ejemplo, colocas todas las bolas de billar de diferentes colores en un extremo de la mesa, baja entropía aquí, luego sacudes la mesa, las bolas se mueven por todo el mesa, todo distinto tan fácil de ver alta entropía aquí. Pero intente lo mismo con, digamos, electrones, entonces no hay distinción, por lo que la entropía es más difícil (¿imposible?) De cuantificar. Plantearé esto como mi propia pregunta más adelante, así que sí/no me parece bien por ahora. Gracias y saludos
@Mohammadreza, buen análisis, pero en la práctica, ¿qué hacen un gas bose y un gas fermi? Explicaste qué sucede con su función de onda, pero no explicaste qué hacen esos gases.
¡@irishphysics es un gran ejemplo! ¡No podría decirlo mejor!
Solo soy yo, pero interpreté la pregunta como si la termodinámica es aplicable a nivel microscópico, no si hay efectos cuánticos en la termodinámica macroscópica. Pero tal vez OP me corrija.
@LandosAdam Hay varios comportamientos, por ejemplo, puede tener un estado de condensado Bose-Einstein de gas Bose enfriándolo cerca del cero absoluto y cambiará a un nuevo estado de la materia; el Helio-4 líquido se vuelve superfluido a temperaturas inferiores a ~2K. Un superfluido tiene propiedades extrañas como si no tuviera viscosidad. En el caso del gas de Fermi, por ejemplo, puede explicar el comportamiento de los semiconductores utilizando las estadísticas de Fermi. Además, la "radiación de cuerpo negro" puede explicarse (que es básicamente una caja llena de fotones) mediante las estadísticas de Bose. Así que hay que ver su importancia física caso por caso.
@mohammadreeza buena respuesta!
@javier tienes razón aunque creo que parte de esta respuesta responde a mi pregunta
¿Se rompen algunas de las leyes de la termodinámica en la mecánica cuántica?
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