PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

8. Klassinen ideaalikaasu

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

6. Yhteenvetoa kurssista

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

infoa tavoitteet E = p2 2m kr2 Klassisesti värähtelyn amplitudi määrää kokonaisenergian Klassisesti E = 1 2 mω2 A 2 E = 1 2 ka2 = 1 2 mω2 A 2

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

TILASTOLLISEN KVANTTIMEKANIIKAN PERUSTEITA (AH ) Mikrotilat (kertausta Kvanttimekaniikan kurssilta)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Biofysiikka Luento Entropia, lämpötila ja vapaa energia. Shannonin entropia. Boltzmannin entropia. Lämpötila. Vapaa energia.

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

4. Termodynaamiset potentiaalit

kertausta edellisestä seuraa, että todennäköisimmin systeemi löydetään sellaisesta mikrotilasta, jollaisia on

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

3. Statistista mekaniikkaa

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

TASAPAINOJAKAUMAT KVANTTIMEKAANISISSA SYSTEEMEISSÄ (AH 5.4, 6.1, 6.4, 6.5) Mikrokanoninen joukko

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Vapaan hiukkasen Schrödingerin yhtälö (yksiulotteinen)

Luento 8. Lämpökapasiteettimallit Dulong-Petit -laki Einsteinin hilalämpömalli Debyen ääniaaltomalli. Sähkönjohtavuus Druden malli

3. Statistista mekaniikkaa

1. Johdanto. FYSA241, kevät Tuomas Lappi kl Huone: FL249. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

4. Termodynaamiset potentiaalit

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Entrooppiset voimat. Entrooppiset voimat Vapaan energian muunnoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

4. Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Ideaalikaasulaki johdettuna mikroskooppisen tarkastelun perusteella! Lämpötila vaikuttaa / johtuu molekyylien kineettisestä energiasta

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

5.10. HIUKKANEN POTENTIAALIKUOPASSA

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA242)

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Ekvipartitioperiaatteen mukaisesti jokaiseen efektiiviseen vapausasteeseen liittyy (1 / 2)kT energiaa molekyyliä kohden.

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

Miksi tarvitaan tilastollista fysiikkaa?

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

3. Statistista mekaniikkaa

Kvanttifysiikan perusteet 2017

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

7 Termodynaamiset potentiaalit

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

2. Termodynamiikan perusteet

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua


S Fysiikka III (Est, 6,0 op) Viikko 11

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Suurkanoninen joukko

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

1 Clausiuksen epäyhtälö

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

Luento 7: Atomien ja molekyylien väliset voimat ja kineettinen kaasuteoria

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA2042)

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

Mustan kappaleen säteily

Transkriptio:

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA Kevät 2016 Emppu Salonen Lasse Laurson Arttu Lehtinen Toni Mäkelä Luento 7: Ekvipartitioteoreema, partitiofunktio ja ideaalikaasu Ke 16.3.2016 1

KURSSIN LOPPUOSAN AIKATAULU Viikko 11 Ma Ti Ke To Pe 14 15 16 17 18 8. luento, 7. luento 4. laskari, r1 Viikko 12 4. laskari, r2 kertausluento Pitkäperjantai 28 29 30 31 1 10. luento, 5. laskari, r1 Viikko 13 2. pääsiäisp. 9. luento Viikko 14 21 22 23 24 25 4 5 6 7 8 Arviointiviikko - ei opetusta 11 12 13 14 15 12. luento, 6. laskari, r1 18 19 20 21 22 Viikko 15 5. laskari, r2 11. luento Viikko 16 6. laskari, r2 kertausluento Tentti ma 9.5. klo 12.00-15.00, sali U4 (U142). 2

AIHEET 1. Ekvipartitioteoreema 2. Partitiofunktio 3. Ideaalikaasun statistinen fysiikka 3

OSAAMISTAVOITTEET 1. Osaat selittää mikä on ekvipartitioteoreema, ja millä rajoituksilla se on voimassa. 2. Ymmärrät statistisen fysiikan perusperiaatteen: systeemin termodynaamisia ominaisuuksia voidaan laskea sen partitiofunktiosta liikkeelle lähtien. 3. Osaat laskea ideaalikaasun partitiofunktion, ja johtaa siitä ideaalikaasun termodynaamisia ominaisuuksia (esim. kaasun tilanyhtälön). 4

EKVIPARTITIOTEOREEMA B&B luku 19 5

KERTAUS: BOLTZMANNIN TEKIJÄ Mikrotilan (systeemi 2, kanoninen ensemble) todennäköisyys: P (E i ) / e E i k B T 1 lämpövaranto/kylpy Normitus kaikkien mikrotilojen avulla: 2 P (E i )= e Ei k B T Pj e E j k B T T Partitiofunktio Z 6

EKVIPARTITIOTEOREEMA Tarkastellan systeemiä, jonka energia riippuu kvadraattisesti jatkuvasta muuttujasta, : x E = x 2 P (x) = e x 2 R 1 1 e x 2 dx, hei = Z 1 1 EP(x)dx = R 1 1 x2 e R 1 1 e x 2 dx x 2 dx = 1 2 = 1 2 k BT Kuva: Blundell & Blundell Jos energia on summa :stä riippumattomasta kvadraattisesta termistä, E = P n i=1 ix 2 i, nx nx hei = i hx 2 1 i i = 2 k BT = n 2 k BT Ei riipu :sta! i=1 i=1 n 7

EKVIPARTITIOTEOREEMA Jos klassisen systeemin energia on summa :stä kvadraattisesta (neliöllisestä) vapausasteesta, ja systeemi on kontaktissa lämpövarannon/kylvyn kanssa lämpötilassa T, systeemin keskimääräinen energia on n 1 2 k BT. n Esimerkkejä: yksiatominen kaasu: E = E trans = 1 2 mv2 x + 1 2 mv2 y + 1 2 mv2 z atomilla on 3 kvadraattista vapausastetta. Siispä hei =3 1 2 k BT = 3 2 k BT, eli diatominen kaasu: edellisten lisäksi kaksi rotaatioenergiaan liittyvää vapausastetta: E = E trans + E rot = E trans + L2 1 2I 1 + L2 2 2I 2 )hei =5 1 2 k BT = 5 2 k BT Kuva: Blundell & Blundell 8

EKVIPARTITIOTEOREEMA Jos klassisen systeemin energia on summa :stä kvadraattisesta (neliöllisestä) vapausasteesta, ja systeemi on kontaktissa lämpövarannon/kylvyn kanssa lämpötilassa T, systeemin keskimääräinen energia on n 1 2 k BT. Esimerkkejä: Diatomisen kaasun värähtelyt: edellisten lisäksi kaksi vapausastetta liittyen atomien välisen sidoksen (mallinnetaan jousella) värähtelyihin: Kahden atomin suhteellisen liikkeen kineettinen energia Sidoksen potentiaalienergia n Kuva: Blundell & Blundell 9

EKVIPARTITIOTEOREEMA Jos klassisen systeemin energia on summa :stä kvadraattisesta (neliöllisestä) vapausasteesta, ja systeemi on kontaktissa lämpövarannon/kylvyn kanssa lämpötilassa T, systeemin keskimääräinen energia on n 1 2 k BT. Esimerkkejä: Kiinteän aineen lämpökapasiteetti: N atomia kuutiohilassa, kullakin 6 lähinaapuria, 3N jousta, kullakin kaksi vapausastetta (potentiaalienergia ja atomien suhteellisen liikkeen kineettinen energia) ) 6N vapausastetta )hei =3Nk B T n ) lämpökapasiteetti @hei @T =3Nk B. Kuva: Blundell & Blundell 10

EKVIPARTITIOTEOREEMA Tehtävä: pohdi ekvipartitioteoreeman taustalla olevia oletuksia. Lämpötila vs kvantittuneet energiatasot? Miksi tässä ollaan kiinnostuneita neliöllisistä vapausasteista? Eiväthän kaikki potentiaalit ole kvadraattisia? 11

EKVIPARTITIOTEOREEMA Tehtävä: pohdi ekvipartitioteoreeman taustalla olevia oletuksia. Lämpötila vs kvantittuneet energiatasot? Miksi tässä ollaan kiinnostuneita neliöllisistä vapausasteista? Eiväthän kaikki potentiaalit ole kvadraattisia? Edellä oletettiin että on jatkuva. Tämä on hyvä approksimaatio jos on paljon suurempi kuin kvantittuneiden energiatasojen energiaero. Kun, systeemi on minimissä. Tämän ympäristössä potentiaali voidaan kehittää Taylorin sarjaksi: Kuva: Blundell & Blundell Laskareissa esimerkki jossa em. ei voimassa. 12

PARTITIOFUNKTIO B&B luku 20 13

PARTITIOFUNKTIO Kanoninen partitiofunktio (engl. partition function), tilasumma (saksaksi Zustandssumme) : Z = X e E 1 lämpövaranto/ -kylpy Jos systeemillä on tilaa joiden energia on, voidaan myös kirjoittaa X Z = g e g E. 2 T Statistisen fysiikan ongelmien ratkaisu pähkinänkuoressa: 1. Kirjoita systeemin partitiofunktio Z. 2. Käytä tiettyjä standardimenetelmiä (= ota Z:sta logaritmeja ja derivaattoja) saadaksesi tarvitsemasi tilafunktiot. 14

PARTITIOFUNKTION KIRJOITTAMINEN Systeemin energiatasot E Z = X e E Esimerkkejä: kaksitilasysteemi: energia joko /2 tai + /2. Siten Z = X E e =e /2 +e /2 = 2 cosh 2 harmoninen oskillaattori: energiatasot X 1 1 2 ~! i=0 (n + 1 )~!,n=0, 1, 2,... 2 Z = X E e =e e n ~! = e 1 2 ~! 1 e ~! n=0 spin-degeneraatio (fermionit, esim. elektronit, spin s = ± 1 ): 2 Z = X 1X E g e E =2 e i. Lisää esimerkkejä: B&B sivu 211. 15

TILAFUNKTIOT PARTITIOFUNKTIOSTA Lähtökohta: P i = e E i P j e E j = e Ei Z Sisäenergia U : U = X i E i P i = P i E ie Z E i = @Z @ Z = @ ln Z @ Kuva: Blundell & Blundell Entropia : X X S = k B P i ln P i = k B P i ( E i +lnz) = U T + k B ln Z i i Helmholtzin vapaaenergia F : F = U TS = k B T ln Z Z =e 16 F

TILAFUNKTIOT PARTITIOFUNKTIOSTA U ja F Z:n avulla (edellinen kalvo) S = p = @F @T V @F @V T = U F T Kuva: Blundell & Blundell H = U + pv G = F + pv = H C V = @U @T V TS 17 systeemin tilafunktiot B&B taulukko 20.1, s. 213.

ESIMERKKI: KAKSITILASYSTEEMI Z = 2 cosh 2 Kuvat: Blundell & Blundell U = @ ln Z @ = 2 tanh 2 F = k B T ln Z S = U T kirjassa painovirhe! F = tanh 2T 2 apple +k B ln 2 cosh 2 18

ESIMERKKI: KAKSITILASYSTEEMI Kuva: Blundell & Blundell Schottky-anomalia" Tehtävä: selitä kvalitatiivisesti mistä käyrän muoto johtuu. Lisää esimerkkejä: B&B sivut 214-218. 19

PARTITIOFUNKTIOIDEN YHDISTÄMINEN Jos systeemin energia koostuu erillisistä riippumattomista kontribuutioista (jotka voidaan erottaa toisistaan), on systeemin partitiofunktio osasysteemien partitiofunktioiden tulo: 1 lämpövaranto/kylpy 2 a b T Esim. diatomisella molekyylillä on translaatioon, rotaatioon ja värähtelyihin liittyviä vapausasteita:. Tähän palataan myöhemmin. 20

IDEAALIKAASU B&B luku 21 21

HIUKKANEN LAATIKOSSA Schrödingerin yhtälön ratkaisu 3-ulotteiselle hiukkanen laatikossa -ongelmalle: Aaltovektori Normitus laatikon reunoilla Tässä lähdetään liikkeelle kvanttimekaniikasta. Laskareissa yritetään tehdä vastaava lasku klassisesti. 22

TILATIHEYS sallitut tilat ovat pisteitä -avaruudessa, yhtä tilaa vastaava tilavuus on. Tarkastellaan aaltovektoreita joiden magnitudi on välillä. Näitä vastaa tilavuus. Tilojen lukumäärä välillä saadaan näiden tilavuuksien suhteena: Funktio on tilatiheys, jota voidaan käyttää muuttamaan summa integraaliksi: Kuva: Blundell & Blundell 23

YHDEN HIUKKASEN PARTITIOFUNKTIO Lasketaan yhden hiukkasen partitiofunktio integraalilla: korvaamalla summa Tämä voidaan kirjoittaa kompaktimmin muodossa missä on ns. terminen de Broglie -aallonpituus, Kuvaa kuinka laajalle hiukkasen aaltopaketti on levinnyt tyypillisessä termisessä liikkeessä. Esim. happimolekyylille NTP-olosuhteissa. 24

IDENTTISET HIUKKASET Miten yhden hiukkasen partitiofunktiosta saadaan :n hiukkasen partitiofunktio? Edellä: jos systeemin energia koostuu :stä riippumattomasta kontribuutiosta,. Tämä kuitenkin pätee vain jos osasysteemit (hiukkaset) voidaan erottaa toisistaan (esim. kukin niistä on lokalisoitunut tiettyyn paikkaan, tms.). Jos hiukkaset ovat identtisiä, on lisäksi jaettava pois niiden permutaatiodegeneraatio. Jos saavutettavissa olevien tilojen lkm on paljon suurempi kuin ( n = N/V 3 th, kaikki hiukkaset eri tiloissa), saadaan 25

IDEAALIKAASUN TERMODYNAMIIKKA Stirling 3 vapausastetta/hiukkanen (vrt. ekvipartitioteoreema) V e F = k B T ln Z N = Nk B T ln = Nk B T [ln(n 3 th) 1] N 3 th ideaalikaasun tilanyhtälö! 26

IDEAALIKAASUN ENTROPIA Ideaalikaasun entropia identtisille hiukkasille (Sackur-Tetroden yhtälö): S = U F = 3 apple V e 5 T 2 Nk B + Nk B ln = Nk B ln(n 3 2 th). N 3 th Gibbsin paradoksi : ekstensiivinen! Kahden eri kaasun sekoittuminen on irreversiibeli prosessi, S>0. Identtisten kaasujen sekoittuminen on reversiibeli prosessi, S =0. Kuva: Blundell & Blundell Tarkemmin laskareissa. 27

DIATOMINEN IDEAALIKAASU Yhden diatomisen molekyylin partitiofunktio: :n molekyylin kaasulle: termodynamiikka. Tehtävä: vertaa tulosta ekvipartitioteoreemaan. huoneenlämmössä translaatio+rotaatio. Kuva: Blundell & Blundell 28