Ehrenfest model

Ehrenfest model

The Enrenfest model of diffusion was proposed by Paul Ehrenfest to explain the second law of thermodynamics. The model considers N particles in two containers. Particles independently change container at a rate λ. If X(t) is defined to be the number of particles in one container at time t, then it is a birth-death process with transition rates

* q_{i i-1} = i lambda for i=1,2,...,N
* q_{i i+1} = (N-i) lambda for i=0,1,...,N–1

and equilibrium distribution pi_i = 2^{-N} binom Ni.

It can be shown that if the initial system state is not equilibrium, then the entropy given by

:H(t) = -sum_{i} P(X(t)=i) log left( frac{P(X(t)=i)}{pi_i} ight)

is monotonically increasing. This is a consequence of the convergence to the equilibrium distribution.

References

* F.P. Kelly Reversibility and Stochastic Networks (Wiley, Chichester, 1979) ISBN 0471276014 [http://www.statslab.cam.ac.uk/~frank/BOOKS/kelly_book.html] pp.17-20
* "Ehrenfest model of diffusion." Encyclopædia Britannica (2008)


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