К вопросу о расчете энтропии малых систем в компьютерном моделировании

Т.М. Шакиров, В.А. Иванов

Аннотация

В последние 10 лет так называемые методы “плоских гистограмм” Монте-Карло внесли большой вклад в понимание фазового поведения различных моделей полимеров [1]. Эти методы позволяют рассчитать с достаточно высокой точностью функцию плотности состояний модельной системы. Но чтобы рассчитать термодинамические величины для исследуемой системы, необходимо связать эту функцию плотности состояний с микроканонической энтропией. В ряде недавних публикаций Дункель, Гильберт и Хенгги [2-4] высказали утверждение, что для более последовательного термодинамического описания малых систем необходимо использовать для энтропии определение Гиббса вместо традиционно используемого определения Больцмана, что вызвало полемику в литературе [5-6]. Энтропия по Больцману представляет собой логарифм плотности состояний при некоторой энергии, а энтропия по Гиббсу – логарифм интеграла от плотности состояний по всем энергиям, меньшим или равным данной энергии. В настоящей работе мы сравниваем полученные с помощью этих двух определений результаты для двух крупнозернистых моделей одиночной цепи – гибко-полужесткого поли-блок-сополимера и поли-аланина.

Кроме того, мы обсуждаем то важное обстоятельство, что в то время как в исследованиях с помощью методов Монте-Карло, как правило, рассматривается только конформационная энергия, микроканонический ансамбль определяется для полной энергии. Мы покажем, как учет кинетической энергии влияет на результаты. Наконец, микроканонический ансамбль должен представлять собой замкнутую механическую систему N частиц. Но из-за инвариантности относительно преобразований Галилея такая система в общем случае имеет два дополнительных закона сохранения – импульса и момента импульса. Мы также покажем, как влияет на результаты учет этих законов сохранения.

Представленные в докладе результаты опубликованы в статье [7].



  1. W. Janke, W. Paul, Soft Matter, 2016, 12, 642.
  2. J. Dunkel, S. Hilbert, Nature Physics, 2014, 10, 67.
  3. S. Hilbert, P. Hänggi, J. Dunkel, Phys. Rev. E, 2014, 90, 062116.
  4. P. Hänggi, S. Hilbert, J. Dunkel, Phil. Trans. Roy. Soc. A, 2016, 374, 20150039.
  5. R. H. Swendsen, J. S. Wang, Phys. Rev. E, 2015, 92, 020103.
  6. D. Frenkel, P. Warren, Am. J. Phys., 2015, 83, 163.
  7. T. Shakirov, S. Zablotskiy, A. Böker, V. Ivanov, W. Paul, Comparison of Boltzmann and Gibbs entropies for the analysis of single-chain phase transitions, Eur. Phys. J. Special Topics, to be published in February 2017, DOI: 10.1140/epjst/e2016-60326-1.