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5.1 Gibbsches Paradoxon

Betrachte ideales Gas. Es gilt:


TdS = dU + pdV (79)
$\displaystyle \folgt$dU = NcVdT (80)
$\displaystyle \folgt$dS = N$\displaystyle \left(\vphantom{ c_V {dT \over T} + k_B {dV \over V} }\right.$cV$\displaystyle {dT \over T}$ + kB$\displaystyle {dV \over V}$ $\displaystyle \left.\vphantom{ c_V {dT \over T} + k_B {dV \over V} }\right)$ (81)
$\displaystyle \folgt$S = N$\displaystyle \left(\vphantom{ c_V \ln(T) + k_B \ln(V) + C}\right.$cVln(T) + kBln(V) + C$\displaystyle \left.\vphantom{ c_V \ln(T) + k_B \ln(V) + C}\right)$ (82)

(hierbei sei cV die molek�lbezogene, konstante W„rmekapazit„t.)

Nun f�gt man reversibel eine Trennwand in das Volumen ein, und zwar so, daá die Entropie erhalten bleibt. Es gilt dann S = S1 + S2. Einsetzen obiger Beziehung, die ja f�r beide Teilr„ume jeweils gilt liefert aber S $ \neq$ S1 + S2 Gibbssches Paradoxon. Ursache: Ununterscheidbarkeit der Gasteilchen wird bisher nicht ber�cksichtigt. Bei der Berechnung der Gesamtentropie geht man davon aus, daá sich alle Teilchen �ber das Volumen V verteilen k”nnen. Bei der Berechnug der Einzelentropien k”nnen sich allerdings nur N1, 2 Teilchen in V1, 2 verteilen. Entfernt man nun die Wand „ndert sich das Volumen, es gibt aber keine neuen Zust„nde, da ja die Molek�le nicht unterscheidbar sind. Tauschen also z. B. ein Molek�l aus der linken und eines aus der rechten Gef„áh„lfte ihre Pl„tze ist das kein neuer Zustand! Division der Zustandssumme $ \Omega$ durch die N! Permutationen, die keine neuen Zust„nde erg„ben. (mit Strilingsche Formel) Erhaltung der Entropie wie gefordert Aufl”sung des Gibbsschen Paradoxons.

Auch wenn man gleiche Molek�le, d. h. nur eine Sorte Gas betrachtet ergibt sich f�r die Entropie das gleiche wie bei zwei Sorten Gas A und B im Volumen V. Oder: Man kann f�r die Zustandssumme einer Mischung aus Gas A und B so tun als ob Gas A getrennt von Gas B in einem Volumen V eingeschlossen w„re.


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Alexander Wagner
2000-04-15