درس‌های از مبانی ترمودینامیک

ترمودینامیک که بیش از ۱۵۰ سال پیش توسط کارنو کلازیوس و دیگران ساختارمند شد در دو دهه اخیر تجدید حیات قابل توجهی را تجربه کرده است. این پیشرفت ها بیشتر به دلیل ترقی عظیم در تکنیک های تجربی که امکان مشاهده و دستکاری مستقیم در گازهای کوانتومی مولکول های دی ان ای (DNA) و سایر سیستم ها در مقیاسهای نانو را فراهم می سازد، به وجود آمده است. مفاهیم و اصول ترمودینامیکی در ابتدا برای توصیف فرآیندهای تبادل حرارت و انجام کار در مقیاس ماکروسکوپی توسعه یافت با این حال در سالهای اخیر به طور فزاینده ای روشن شده است که این مفاهیم چارچوبی به همان اندازه قدرتمند برای توصیف نظری انرژی و انتقال اطلاعات در سیستم های میکروسکوپی از جمله موتورهای حرارتی کوانتومی تا سلول های بیولوژیکی فراهم می کنند. زمانی که هنوز دانشجوی دکترا در گروه پیتر هانگی در آگسبورگ بودم، برای اولین بار میشل کامپیسی یکی از پیشگامان این حوزه تحقیقاتی به سرعت در حال گسترش را ملاقات کردم. میشل در کتاب خود به عنوان درسهایی از مبانی مکانیکی ترمودینامیک" که بر اساس دوره هایی است که او در دانشگاه فلورانس تدریس کرده است در مورد چگونگی ساخت یک چارچوب ترمودینامیکی با استفاده از دینامیک همیلتونی بحث میکند این سوال اساسی تاریخچه طولانی و جالبی دارد که به کارهای مهم بولتزمن گیبس و هرتز در اواخر قرن بیستم بر می گردد و با کاربردهای اخیر مفاهیم ترمو استاتیکی در سیستم های کوچک اهمیت حیاتی یافته است. در حالی که بسیاری از کتابهای درسی مدرن رویکردی بدیهی را اتخاذ می کنند که از مجموعه ای انتزاعی از فرضیه های ترمودینامیکی شروع میشود؛ رویکرد سازنده پایین به بالا که کامپیسی دنبال می کند نشان میدهد که توصیف ترمودینامیکی تقلیل یافته چگونه به طور طبیعی از پیوند میانگین های زمانی دینامیکی با میانگینهای آماری از طریق نظریه ارگود یک پدیدار می شود.