6. Yhteenvetoa kurssista

Samankaltaiset tiedostot
PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

3. Statistista mekaniikkaa

3. Statistista mekaniikkaa

5. Faasitransitiot. Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241) Tuomas Lappi kl Huone: FL249. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

3. Statistista mekaniikkaa

4. Termodynaamiset potentiaalit

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

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

Faasitasapaino Ferromagneetti, Ising Clausius-Clapeyron Vesi Yhteenvetoa kurssista. FYSA241, kevät Tuomas Lappi

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

4. Termodynaamiset potentiaalit

4. Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

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

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

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

Suurkanoninen joukko

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

2. Termodynamiikan perusteet

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

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

7 Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

8. Klassinen ideaalikaasu

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

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

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

2. Termodynamiikan perusteet

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

Suurkanoninen joukko

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Faasitasapaino Ferromagneetti ja Isingin malli Clausius-Clapeyron Lisää faasimuunnoksista. Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

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

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

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

Luku Pääsääntö (The Second Law)

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

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

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

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

1 Clausiuksen epäyhtälö

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

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

Thermodynamics: An Engineering Approach, 7 th Edition Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, Luku 7 ENTROPIA

6. Entropia, lämpötila ja vapaa energia

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Clausiuksen epäyhtälö

Harvan kaasun sisäenergia ja lämpökapasiteetit

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

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Transkriptio:

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241) Vesa Apaja vesa.apaja@jyu.fi Huone: YN212. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja. kl 2016 6. Yhteenvetoa kurssista 1

Keskeisiä käsitteitä I Energia TD1, siirtyminen lämpönä ja työnä. Kaasun kierrot PV -tasossa, ideaalikaasu Entropia TD2, määritelmä mikrotilojen avulla (Boltzmann). Entropian muutokset: sekoitusentropia, kaasuprosessit Mikrokanoninen lasku: E S T kidevirheet Lämpökylpy Eristetystä kylpyyn; luonnollinen muuttuja S T. Käsitteet: Boltzmannin todennäköisyysjakauma, partitiofunktio, Gibbsin entropia TD potentiaalit Legendren muunnos. Potentiaali fysikaalisen tilanteen mukaan: E, F, H, G Maxwellin relaatiot, osittaisderivaattojen pyörittelyä (JT- ja lämpökapasiteeti/kokoonpuristuvuusesimerkkejä ei tarvitse muistaa ulkoa, kylläkin ymmärtää!) Faasitransitiot Järjestysparametri muuna makroskooppisena muuttujana, tasapainoehto Gibbsin funktion/kemiallisen potentiaalin yhtäsuuruutena. Landaun ja Isingin mallit ferromagneetille 2

Keskeisiä käsitteitä II Latentti lämpö, entropian muutos transitiossa Höyrynpainekäyrän yhtälö (CCY), soveltaminen 3

Statistiset joukot (ensemble) Statistinen joukko (ensemble) on kuviteltu kokoelma saman systeemin kopioita, kukin jossakin systeemille mahdollisessa tilassa; kopioita on yleensä hyvin monta, jopa ääretön määrä. Kolme statistisen mekaniikan joukkoa: Mikrokanoninen joukko: E, N vakioita. Systeemi on suljettu, eikä vaihda energiaa eikä hiukkasia ympäristönsä kanssa. T on vakio ja sen määrää systeemin sisäinen dynamiikka. Kanoninen joukko: T, N vakioita, E fluktuoi. Systeemi vaihtaa energiaa ympäristönsä kanssa, joka on lämpökylpy. Suurkanoninen joukko: T vakio, N ja E fluktuoivat. Systeemi on avoin ja vaihtaa energiaa ja hiukkasia ympäristönsä kanssa, joka on lämpö- ja hiukkaskylpy. 4

Prosessien luokittelu Prosessit: Adiabaattinen: lämpöä ei siirry systeemin ja ympäristön välillä. Prosessi eristetyssä systeemissä. Reversiibeli: osien entropioiden muutosten summa on nolla, paluu täsmälleen vanhaan tilaan on mahdollinen. Entropiaa saa siirrellä, mutta sen kokonaismäärä ei muutu. Irreversiibeli: entropia kasvaa, paluuta täsmälleen vanhaan tilaan ei ole. Minkä tahansa osasysteemin voi palauttaa vanhaan tilaansa, mutta vain sen ympäristön entropian kustannuksella. Entropia voi pienentyä joissakin osissa vain jos se muualla kasvaa tätä enemmän. Isentrooppinen: entropia ei muutu. Jokainen reversiibeli, adiabaattinen prosessi on isentrooppinen. 5

Entropian laskeminen I Termodynamiikassa: Vain entropian muutokset tunnetaan ja vain reversiibelille prosessille: ds = δqrev. T Osasysteemien alku- ja lopputilan välille voi löytyä reversiibeli prosessi. Sovella kaavaa kullekin osalle erikseen. Entropia on tilasuure, alku- ja lopputilan välinen entropiaero on yksikäsitteinen. Yhdessä osassa löydetty (kuviteltu) reversiibeli prosessi ei yleensä ole reversiibeli toisessa osassa. (Jos olisi, voisit laskea S:n y.o. kaavalla molemmille osille yhtaikaa :). Esim. Laitetaan kaksi erilämpöistä kappaletta termiseen kontaktiin. Prosessi on irreversiibeli, mutta kummallekin kappaleelle voi laskea erikseen entropian muutoksen käyttäen reversiibeliä prosessia. Silti kappaleen 1 reversiibeli prosessi ei ole kappaleen 2 reversiibeli prosessi ja kääntäen. Ei ole olemassa reversiibeliä prosessia molempien kappaleiden systeemissä. 6

Entropian laskeminen II Statistisessa mekaniikassa: 1) Suljettu systeemi eli mikrokanoninen joukko: Saavutettavien tilojen lukumäärästä Ω, Boltzmannin entropia S = k B ln(ω). 2) Systeemi lämpökylvyssä eli kanoninen joukko: mikrotilojen todennäköisyyksistä p ν, Gibbsin entropia S = k B ν pν ln(pν). 7

Boltzmann-jakauma Mikrotilan ν todennäköisyys termodynaamisessa tasapainossa on p ν = 1 Z e βeν β 1 k B T, missä E ν on mikrotilan energia ja normitus on partitiofunktio Z = ν e βeν. Mitä korkeampi lämpötila, sitä todennäköisemmin systeemi on suuren energian mikrotilassa. Hyvin matalassa lämpötilassa systeemi on suurella todennäköisyydellä perustilassa E 0. Korkea tai matala lämpötila on ajateltava mikrotilojen energioiden suhteen. Energiaero 1 ev (elektronivoltti) vastaa lämpötilaa T 11600 K, joten huonelämpötila on tällaiselle systeemille erittäin matala lämpötila. 8

Merkkisopimus Jos työ W < 0 niin systeemi tekee työtä Jos työ W > 0 niin systeemiin tehdään työtä Tällä sopimuksella de = δq + δw = TdS PdV. Tarkistus: laajeneva kaasu tekee työtä. Koska δw = PdV, paine P > 0 ja kaasu laajenee dv > 0 δw < 0 OK. Yleispätevä muistisääntö: jos systeemi tekee työtä, sen sisäenergia pienenee (Merkin voi määritellä näinkin: δw = PdV ja de = δq δw = TdS PdV. Fysiikka ei muutu, vain merkkisopimus on toisinpäin. Mm. Wikipedia määrittelee merkin näin.) 9