Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Samankaltaiset tiedostot
Ekvipartitioteoreema

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

6. Yhteenvetoa kurssista

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

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

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

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

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

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

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

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

Clausiuksen epäyhtälö

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

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

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

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

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

2. Termodynamiikan perusteet

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

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

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

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

Luku Pääsääntö (The Second Law)

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

energian), systeemi on eristetty (engl. isolated). Tällöin sekä systeemiin siirtynyt

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Miksi tarvitaan tilastollista fysiikkaa?

Fysiikan maailmankuva 2015 Luento 8. Aika ja ajan nuoli lisää pohdiskelua Termodynamiikka Miten aika ja termodynamiikka liittyvät toisiinsa?

1 Clausiuksen epäyhtälö

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

4. Termodynaamiset potentiaalit

8. Klassinen ideaalikaasu

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

7 Termodynaamiset potentiaalit

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

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

3. Statistista mekaniikkaa

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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,

Termofysiikan perusteet

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho


Teddy 1. välikoe kevät 2008

Suurkanoninen joukko

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

2. Termodynamiikan perusteet

4. Termodynaamiset potentiaalit

Transkriptio:

Ekvipartitioteoreema lämpötilan ollessa riittävän korkea, kukin molekyylin liikkeen vapausaste tuo energian ½ kt sekä keskimääräiseen liike-energiaan ja kineettiseen energiaan energian lisäys ja riittävän korkea lämpötila liittyvät kvanttimekaanisiin tilan diskreetteihin energiaeroihin jos vapausasteen energia ei ole kvantittunut, energia jakautuu aina tilastollisesti (massakeskipisteen liike) (= aktiiviset vapausasteet) 1. etenemisliikkeet (translaatio), 3 vapausastetta, 3/2 kt 2. rotaatiovapausasteet 2 2 * ½ kt, kvantittuneita, energiaero 3. värähtelyvapausasteet 1 + potentiaalienergia, ½ kt + ½ kt = kt, kvantittunut 4. siis: korkeissa lämpötiloissa kaikki ovat aktivoituneita ja kokonaisenergi/ molekyyli on 7/2 kt Entropia tilastollisessa mekaniikassa Varsinainen entropian määritelmä: Entropia MB-jakaumassa Klassisessa tilastollisessa mekaniikassa johdettiin partition todennäköisyyksille Entropia kuvaa systeemin pyrkimystä kohti todennäköisintä partitiota Entropian on partition todennäköisyyden logaritmi kerrottuna Boltzmannin vakiolla Entropia voidaan määritellä sekä epätasapaino, että tasapainotiloille, mutta makroskooppisten suureiden avulla se vaatii lämpötilan määrittelyn Stirling:

Tasapainotilan partition yksittäiset miehitysluvut ovat Sisäenergia, lämpömäärä ja entropia Lasketaan seuraavaksi tarvittava partitiofunktion Z differentiaali Kuten todettu, tilavuuden muutos laskee energiatasoja kaasun laajenemistyö (positiivista) muutokset negatiivisia Sen sijaan: jos tilavuus on vakio, sisäenergian muutoksen aiheuttaa se, että systeemi saa lämpöä Eli nyt on makroskooppisen entropian yhtälö laskettu suoraan MB-jakaumasta S= k ln P

Ideaalikaasun partitiofunktio Tilatiheys vs. tilavuus??? Kertausta: kaasussa nopeus- ja energiajakaumat jatkuvia, MB-jakauman diskreetit energiat korvataan jatkuvalla energialla E ja degeneraatiotekijät g i jatkuvalla tilatiheusfunktiolla g(e). Hieman hankalampi kysymys onkin se, miten ideaalikaasun partitiofunktio liittyy tilavuuteen eli miten tilatiheydestä peräisin oleva tekijä C liittyy tilavuuteen Tähän törmätään vielä kvanttimekaniikan osuudessa, tilatiheys sinänsä ei riipu paineesta tai lämpötilasta, ne vain muuttavat miehitystä systeemissä. Tilat ja tilatiheys riippunevat kuitenkin jollain funktiolla tilavuudesta V. = tilojen lkm välillä Oletetaan, että yhdistetään kaksi astiaa, joissa molemmissa on N molekyyliä lämpötilassa T ja paineessa p. Siis Kummallekin astialle pätee: Ideaalikaasun tilanyhtälö Kun astiat yhdistetään N muuttuu kaksinkertaiseksi ei riipu tilavuudesta, joten C n täytyy kasvaa kaksinkertaiseksi Merkitään C=cV, missä pikku-c on uusi vakio, joka ei enää riipu tilavuudesta ln Z:n kokonaisdifferentiaali V:n ja T:n suhteen

Nyt siis tiedetään, että Ideaalikaasu gravitaatiokentässä Siis: tilastollinen mekaniikka antaa saman tuloksen kuin termodynaaminen ja kineettinen teoria!!!! Kineettinen energia ja pot energia riippumattomia, oletetaan aluksi laskuteknisesti energiat diskreeteiksi Kineettisen energian tilatiheys on laskettu jo aiemmin Molemmat integraalit tunnetaan: Potentiaalienergiatarkastelussa otetaan korkeudeksi y ja paksuuselementti dy A tilojen tiheys on suoraan verrannollinen differentiaaliseen tilavuuteen dy Seuraavaksi ln Z y g

Raja-arvot, tulkinnat? 1. raja-arvo, kun eksponenttitermi pieni = purkki on matala tai T korkea ideaalikaasun sisäenergia ilman gravitaatioenergia 2. raja-arvo kun lämpötila on alhainen tai purkki korkea Toinen pääsääntö ja entropia eristetty systeemi pyrkii kohti termodynaamista tasapainotilaa huom kokeellinen havainto, joka ei seuraa suoraan termodynamiikasta vaan pääteltiin todennäköisimpänä tuloksena tilastollisesta mekaniikasta, tasapainotilaa vastaa valtava määrä mikrotiloja (muista, että alussa tarkasteltiin vain luokkaa 5-10 hiukkasta, todellisuudessa esim. 10 20 hiukkasta, tästä seuraa se, että todennäköisin tila on valtavasti todennäköisempi kuin muut mahdollisuudet!!! yksi tapa kokeilla asiaa on tehdä suoraviivainen molykyylidynamiikan simulaatio 1. oletetaan elastiset törmäykset, jotka riippuvat vain törmäyspinta-alasta (liike-energia säilyy vain summana, ei yksittäisten molekyylien osalta Ideaalikaasun sisäenergia on siis välillä [ 3/2 NkT, 5/2 NkT] 2. Oletetaan N molekyyliä, yhden molekyylin kineettinen energia on Kun koodin annetaan laskea riittävän pitkään, havaitaan, että lopulta kaikilla molekyyleillä on energia, joka on lähellä arvoa 3. Asetetaan ajatuskokeessa kaikkien molekyylien energia yhdelle molekyylille (äärimmäinen epätasapainotila), kaikki muut asetaan paikalleen (nopeudet nollia) ja, että hiukkasten energia on välillä Maxwell-Boltzmann-jakauman mukaisesti 4. Ainakin pienelle hiukkasjoukolle, voidaan helposti kirjoittaa koodi, joka siirtää jokaista hiukkasta aikajaksossa dt hiukkasen nopeuden verran ottaen huomioon törmäykset muihin molekyyleihin ja astian seinämiin 5. Lopputulos on se, että kuumin molekyyli kylmenee ja muut saavat törmäysten takia kineettistä energiaa, välillä tapahtuu satunnaisia muutoksia kumpaankin suuntaan eli systeemi fluktuoi

Termodynamiikan toinen pääsääntö Termodynaaminen systeemi pyrkii tasapainotilaan, joka on sellainen makrotila, johon kuuluvien mikrotilojen lukumäärä on suurin mahdollinen ottaen huomioon hiukkasmäärä ja kokonaisenergia (muista, että ns. Lagrangen kertoimia käytetttiin ottamaan huomioon nämä lisärajoitukset) Termodynamiikan pääsäännöt: kertausta nollas pääsääntö: A termisessä tasapainossa B:n kanssa A lisäksi termisessä tasapainossa (sama T) C:n kanssa seuraus: myös B ja C ovat termisessä tasapainossa ensimmäinen pääsääntö kaasun sisäenergian muutos on yhtä suuri kuin kaasun saama lämpömäärä kaasun tekemä työ toinen pääsääntö Termodynaaminen systeemi pyrkii tasapainotilaa. Tasapainotila on makrotila, johon kuuluvien mikrotilojen lkm on annetun hiukkasmäärän ja energian puitteissa suurin mahdollinen Entropia!!! Entropian määritelmä termodynamiikassa kvasistaattiselle ja häviöttömälle systeemille Huom! Lämpötilan on siis oltava hyvin määritelty, jotta entropiakäsitettä voidaan käyttää!!!

Hyödyllisiä toteamuksia entropiasta Tasapainotila maksimoi todennäköisyyden P (ja myös ln P:n) Jos systeemi ei ole tasapainotilassa, se on siis partitiossa, jonka todennäköisyys on pienempi kuin P Ajan kuluessa eristettykin systeemi kehittyy kohti todennäköisintä partitiota eli tasapainotilaan Sen jälkeen systeemissä tapahtuu vieläkin fluktuaatioita, mutta sen ei oleteta kehittyvän pois tasapainosta, ellei sen tilaa muuteta jollain ulkoisella häiriöllä Entropian määritelmä tilastollisessa fysiikassa ei siis edellyttänyt tasapainotilaa, mutta termodynamiikan suureita käyttäen se johtaa määritelmään, jossa lämpötilan on oltava määritettävissä Entropian muutos liittyy vain alku- ja loppupartition todennäköisyyksiin ja on siis riippumaton prosessista, jolla tilasta toiseen kuljettiin Reversiibeli muutos, jossa entropia ei muutu, on nimeltään isentropinen transformaatio Tasapainotilassa olevalle systeemille entropia voitiin määritellä makroskooppisten tilasuureiden avulla Entropian ominaisuuksia Jos meillä on kaksi systeemiä, joiden partitioiden todennäköisyydet ovat P 1 ja P 2, niin kombinoidun systeemin todennäköisyys on P 1 P 2 Entropia on siis additiivinen suure Termodynaamisessa tasapainossa oleva eristetty systeemi maksimoi entropiansa, koska se liittyy kaikkein todennäköisimpään partitioon!!! Termisessä tasapainossa ainoastaan sellaiset prosessit ovat mahdollisia, missä entropia ei enää muutu eli ds=0, nämä ovat reversiibelejä prosesseja (systeemi eristetty) Jos eristetty systeemi ei ole tasapainotilasse, se kehittyy luonnollisesti siten, että entropia kasvaa ja systeemin partitio lähenee kaikkein todennäköisintä konfiguraatiota Osasysteemin entropia voi pienentyä, mutta yhdistetylle systeemille pätee Systeemi, joka ei ole tasapainotilassa kehittyy siten, että ds > 0, silloin prosessit ovat irreversiibelejä Termodynamiikan toinen laki uudelleen muotoiltuna: The most probable processes that may occur in an isolated system are those in which the entropy either increases or remains constant Vrt diffuusio, lämmön johtuminen, konsentraatioiden tasoittuminen Siis koko universumisssa on paljon prosesseja, jotka voisivat tapahtua, koska esimerkiksi energia säilyisi, mutta ne olisivat kuitenkin termodynamiikan toisen pääsäännön vastaisia ja äärimmäisen epätodennäköisiä

Entropian määritelmä termodynamiikassa Carnot-syklissä lämpömäärien suhde on suoraan lämpöastioiden lämpötilojen suhde Entropia ei riipu reitistä Yhdessä syklissä lämmönvaihto tapahtuu vain isotermisten prosessien aikana Mielivaltainen kierto korvataan sarjalla Carnot-kiertoprosesseja (kaikki samaan suuntaan) Entropian differentiaalit Entropian vaihtoehtoiset sanalliset määritelmät Eristetyn systeemin entropia voi vain kasvaa tai säilyä vakiona Lämpöä ei siirry itsestään kylmemmästä kappaleesta lämpimämpään kappaleeseen Ei ole mahdollista rakentaa konetta, joka ottaisi lämpöä yhdestä ainoasta lämpövarastosta ja suorittaisi mekaanista työtä

Reversiibelit ja irreversiibelit prosessit Kvasistaattinen prosessi = systeemi on prosessin aikana sisäisessä tasapainossa Reversiibeli prosessi = systeemin ja ympäristön kokonaisentropia säilyy prosessissa vakiona Lisäksi reversiibeli prosessi on aina kvasistaattinen ja häviötön Jos systeemi on eristetty, reversiibelissä tilanmuutoksessa entropia on vakio Entropiamuutosten laskeminen 1. Adiabaattinen prosessi - lämpöeristetty Häviötön kvasistaattinen adiabaattinen prosessi on aina reversiibeli ja entropia on vakio. 2. Isoterminen prosessi Ideaalikaasun laajentuessa isotermisesti sen sisäenergia ei muutu Lisäksi vakiolämpötilassa 3. Isokoorinen prosessi Carnot-sykli ja entropia Huom! Nyt sykli esitetäänkin ST-tasossa! Tilanmuutos 1-2 Yleensähän ominaislämpökapasiteetti on vakio, joten Tilanmuutos 3-4 4. Isobaarinen prosessi Suorakaiteen pinta-ala on

Ideaalikaasun entropia tilavuuden ja lämpötilan funktiona 1. suljettu systeemi Avoimen systeemin entropia, yhdistetään kaksi samanlaista astiaa Entropia on ekstensiivinen suure perusmääritelmien mukaan Vaan missä on nyt verrannollisuus ainemäärään? ν, p, T, V ν, p, T, V 2ν, p, T, 2V toimii ainakin entropiamuutoksille riippuu vain tilanmuuttujien arvoista referenssipisteessä Havaitaan, että vaikuttais siltä, että Yhtälöä pitää yleistää korvaamalla vakio C uudella vakiolla, joka riippuu ainemäärästä Ideaalikaasun entropia kaasun laajentumisprosessissa lämpöeristetty => Kokeillaan toimiiko... ennen astioiden yhdistämistä Laajenemisen aikana tiheys ei ole vakio, kaasu ei ole termodynaamisessa tasapainossa, prosessi ei ole kvasistaattinen, mutta systeemiin ei tule lämpöä prosessin aikana, sisäenergia ei siis muutu, eikä systeemi tee edes työtä, prosessi on siis isoterminen Irreversiibelissä prosessissa ei voida käyttää tulosta Nyt futaa! yhdistämisen jälkeen

Maksimityö ja entropia