Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Shirzad,Behrouz Mirza
احمد شیرزاد (استاد مشاور) بهروز میرزا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Bagher Jahani Poshteh
محمدباقر جهانی پشته

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Generalization of Ehrenfest’s Equations for Black Holes with Three Parameters and Phase Transition in Black Holes
The celebrated prediction of black hole entropy and Hawking radiation made black hole thermodynamics an interesting field in cosmology and high energy physics. Black hole, as a solution to Einstein field equation, behaves like a thermodynamic system. One of such thermodynamic properties is the phase transition between locally stable and unstable black hole, investigated by Davies for the first time in 1977. An important question about this phase transition is the order of transition. The order of phase transition shows that whether entropy and volume of a system change continuously or discontinuously in the transition. If these changes are discontinuous then the transition is of first order, otherwise it is called a higher order or continuous transition. This kind of In this thesis we investigate thermodynamic phase transition for a large We study some useful definitions in ensemble theory of black holes throughout this dissertation. In canonical ensemble, extensive parameters such as electrical charge or angular momentum are supposed to be fixed at the boundary of black hole. In grand canonical ensemble extensive parameters can be exchanged between black hole and its environment. We also investigate Kerr-Newman black hole which has three degrees of freedom. In this case there are also two mixed ensembles which are defined by taking one extensive parameter and one intensive parameter to be fixed at the horizon, while their conjugate quantities can be changed. The discontinuity of specific heat reflects the possibility of the second order phase transition in canonical and two mixed ensembles. However there are differences between the second order phase transition in black holes and ordinary thermodynamic systems for which the discontinuity of specific heat is not an infinite one. Usual Ehrenfest’s equations are written for systems with two degrees of freedom, so they are helpless for Kerr-Newman black hole with three degrees of freedom. In this thesis we generalize Ehrenfest’s equations. We find seven new equations with six new parameters that diverge at the same point in which the heat capacity diverges. We show that all generalized Ehrenfest’s equations are satisfied at the divergent point of specific heat in canonical and two mixed ensembles. So Kerr-Newman black hole undergoes a second order phase transition in these ensembles. Keywords: Thermodynamics, Black hole, Phase transition, Klapeyron, Ehrenfest, Stability of black holes, Landau theory, Hawking-Page phase transition.
با کشف آنتروپی سیاه‌چاله ‌ و تابش هاوکینگ ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها به شاخه‌ای جذاب از کیهانشناسی و فیزیک انرژی‌های بالا تبدیل شد. سیاه‌چاله‌ها به عنوان یک سیستم گرانشی که از معادلات میدان انشتین به دست می‌آیند ، رفتاری شبیه به سیستم‌های معمولی ترمودینامیک از خود نشان می‌دهند . یکی از این رفتارهای ترمودینامیکی ، گذار فاز بین سیاه‌چاله‌های پایدار و ناپایدار است که اولین بار در سال 1977 توسط دیویس بررسی شد . سوال مهمی که بعد از مشاهده‌ی این گذار به ذهن می‌رسد مرتبه‌ی گذار است . مرتبه‌ی گذار فاز این را نشان می‌دهد که آنتروپی ، حجم ، پتانسیل الکتریکی و چند پارامتر دیگر در یک گذار به شکل گسسته تغییر می‌کنند یا پیوسته . اگر این تغییرات گسسته باشند گذار را مرتبه‌ی اول و در غیر این صورت به آن گذار از مرتبه بالاتر یا گذار پیوسته می‌گویند . این نوع تعریف گذار ‌ فازها به طبقه‌بندی اهرنفست معروف است . ما در این پایان‌نامه به بررسی گذار فاز ترمودینامیکی برای تعداد زیادی از سیاه‌چاله‌ها می‌پردازیم . برای طبقه‌بندی این گذار‌ها از روش اهرنفست استفاده می‌کنیم . در این سیاه‌چاله‌ها به خاطر ناپیوستگی گرمای ویژه که متناسب با مشتق دوم انرژی آزاد است ، احتمال گذار مرتبه‌ی دوم وجود داشت . از آنجا که در هر گذار مرتبه‌ی دوم ، معادلاتی موسوم به معالات اهرنفست باید برقرار باشند ، ما این معادلات را در نقطه‌ی ناپیوستگی گرمای ویژه در هنگردهای مختلف سیاه‌چاله‌های دو پارامتری بررسی کردیم و نشان دادیم گذار فاز تعداد زیادی از این سیاه‌چاله‌ها در هنگردهای بندادی و بندادی بزرگ از مرتبه‌ی دو است . به تعریف‌ها و مفاهیم رایج در نظریه‌ی هنگردها برای سیاه‌چاله‌ها در جاهای مختلفی از کار خود اشاره داشته و از آن‌ها استفاده می‌کنیم . در هنگرد بندادی پارامترهای فزونور مانند بار الکتریکی و تکانه‌ی زاویه‌ای را در مرز سیاه‌چاله ثابت در نظر می‌گیریم در حالی که در هنگرد بندادی بزرگ این پارامترها می‌توانند بین سیستم و منبع تبادل شوند . در بخش دیگری از کار خود سیستم‌هایی با سه درجه‌ی آزادی را مورد بررسی قرار می‌دهیم . سیاه‌چاله‌ی کر-نیومن یک سیستم سه پارامتری است . در مورد این سیاه‌چاله ‌ علاوه بر هنگرد بندادی و بندادی بزرگ ، دو هنگرد آمیخته نیز وجود دارد که در آن‌ها یک پارامتر فزونور و یک پارامتر نافزونور ثابت در نظر گرفته می‌شوند ، در حالی که کمیت‌های همیوغ این پارامترها اجازه‌ی تغییر دارند . وجود ناپیوستگی در نمودار گرمای ویژه‌ی مربوط به هنگرد بندادی و دو هنگرد آمیخته از احتمال گذار مرتبه‌ی دوم خبر ‌می‌دهد. اگرچه تفاوت‌هایی نیز با گذار معادل در سیستم‌های معمولی وجود دارد . در این‌جا ناپیوستگی گرمای ویژه از نوع بی‌نهایت است . برای اثبات مرتبه‌ی دوم بودن این گذارها معادلات اهرنفست معمولی کارایی خود را از دست می‌دهند ، زیرا این معادلات برای سیستم‌هایی با دو درجه آزادی نوشته شده است در حالی که سیاه‌چاله‌ی کر-نیومن سه درجه‌ی آزادی دارد . در اینجا معادلات اهرنفست تعمیم یافته را برای هنگرد‌های مختلف به دست آوردیم . روابط اهرنفست تعمیم یافته شامل هفت معادله‌ی مستقل برای هر هنگرد می‌باشند و در آن‌ها شش پارامتر ظاهر می‌شوند که همگی در نقطه‌ی ناپیوستگی گرمای ویژه دارای تکینگی هستند . در این پایان‌نامه نشان داده شده است که معادلات اهرفست تعمیم یافته در نقطه‌ی ناپیوستگی گرمای ویژه در هنگرد بندادی و دو هنگرد آمیخته برقرار هستند . بنابراین سیاه‌چاله‌ی کر-نیومن در این هنگردها گذار فاز مرتبه‌ی دوم از خود نشان می‌دهد. کلمات کلیدی : ترمودینامیک، سیاه چاله ها, گذار فاز، کلاپیرون، اهرنفست، پایداری سیاه چاله ها, نظریه ی لاندائو، گذار فاز هاوکینگ-پیج.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی