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

Samankaltaiset tiedostot
FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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,

11 Kvantti-ideaalikaasu

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

BOSONIJÄRJESTELMÄT (AH 8.1, 8.2) Bosekondensaatio

Mustan kappaleen säteily

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

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Mustan kappaleen säteily

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

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

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

8. Klassinen ideaalikaasu

Suhteellisuusteorian perusteet, harjoitus 6

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

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

10. Kvanttikaasu. Statistinen fysiikka, osa B (FYSA242) Tuomas Lappi kl Huone: FL240. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Fysiikka 8. Aine ja säteily

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

9 Klassinen ideaalikaasu

6. Yhteenvetoa kurssista

Luento 14: Periodinen liike, osa 2. Vaimennettu värähtely Pakkovärähtely Resonanssi F t F r

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

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

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 12, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

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

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

Suurkanoninen joukko

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

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

FERMIONIJÄRJESTELMÄT (AH 9.1, 9.2) Metallien johtavuuselektronit

Kuva 1: Yksinkertainen siniaalto. Amplitudi kertoo heilahduksen laajuuden ja aallonpituus

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 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Suurkanoninen joukko

Statistinen fysiikka, osa B (FYSA2042)

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

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

1 WKB-approksimaatio. Yleisiä ohjeita. S Harjoitus

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

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

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

1 Perussuureiden kertausta ja esimerkkejä

Luento 6. Mustan kappaleen säteily

Infrapunaspektroskopia

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

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

Miksi tarvitaan tilastollista fysiikkaa?

f (28) L(28) = f (27) + f (27)(28 27) = = (28 27) 2 = 1 2 f (x) = x 2

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Luento 15: Ääniaallot, osa 2


780392A/782631S Fysikaalinen kemia II, 5 op / 4 op

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

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

1. Tarkastellaan kaksiulotteisessa Hilbert avaruudessa Hamiltonin operaattoria

kolminkertaisesti tehtäviä tavallisiin harjoituksiin verrattuna, voi sen kokonaan tekemällä saada suunnilleen kolmen tavallisen harjoituksen edestä

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

lnx x 1 = = lim x = = lim lim 10 = x x0

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 6. viikolle /

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Ch7 Kvanttimekaniikan alkeita. Tässä luvussa esitellään NMR:n kannalta keskeiset kvanttimekaniikan tulokset.

Matematiikkaa kemisteille, kevät 2012 Ylimääräinen laskuharjoitus Palautus 7.5. klo (suositellaan kuitenkin tekemään ennen välikoetta 30.4!

KLASSISISTA REAALIKAASUISTA (AH 10.1)

a) Jos törmäysten määrä sekunnissa on f = s 1 ja jokainen törmäys deaktivoi virityksen, niin viritystilan keskimääräinen elinikä on

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

LASKENNALLISEN TIETEEN OHJELMATYÖ: Diffuusion Monte Carlo -simulointi yksiulotteisessa systeemissä

Varatun hiukkasen liike

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Neutriinokuljetus koherentissa kvasihiukkasapproksimaatiossa

4. Termodynaamiset potentiaalit

Transkriptio:

766328A Termofysiikka Harjoitus no., ratkaisut (syyslukukausi 24). Klassisen ideaalikaasun partitiofunktio on luentojen mukaan Z N! [Z (T, V )] N, (9.) missä yksihiukkaspartitiofunktio Z (T, V ) r e βɛr. (9.4) Klassisen ideaalikaasun yksihiukkastilan i keskimääräinen miehitysluku saadaan derivoimalla partitiofunktion logaritmia kyseisen tilan energian suhteen, n i ( ) ln Z (.6) β ɛ i [ ln ( )] β ɛ i N! + N ln e βɛr r N ( ) ( e βɛr e βɛ i + ) e βɛr β ɛ r i r i N e βɛ i Z Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, ɛ vib ( ) p 2 2 k + ωkq 2 2 k. (.8) k (a) Rayleigh n laki saadaan, kun lasketaan säteilyn energiatiheyden lauseke u(ω, T )dω kulmataajuusvälillä (ω, ω + dω). Sitä varten lasketaan energian tasan jakautumisen periaatteen avulla kulmataajuutta ω k vastaava keskimääräinen värähdysliikkeen energia, ɛ vib,ωk 2 p2 k + 2 ω2 kq 2 k + 2 p2 k 2 kt + 2 kt kt. 2 ω2 kq 2 k Yksihiukkastilojen lukumäärä kulmataajuusvälillä (ω, ω + dω) on f(ω)dω V ω2 dω π 2 c 3. (.2) Energiatiheydeksi eli energiaksi tilavuusyksikköä kohti saadaan yhden tilan keskimääräisen energian ja tilavuudessa olevien tilojen lukumäärän avulla u(ω, T )dω V ɛ vib,ω k f(ω)dω V kt V ω2 π 2 c 3 dω ω2 kt π 2 c 3 dω.

(b) Kulmataajuuden ω pienillä arvoilla eli suurilla aallonpituuksilla Rayleigh n laki seuraa myös Planckin laista u(ω, T )dω ω 3 dω π 2 c 3 e β ω. (.5) Matalilla taajuuksilla termi β ω on pieni ja sitä voidaan approksimoida sarjakehitelmällä, e β ω + β ω, jolloin u(ω, T )dω ω 3 dω π 2 c 3 + β ω ω 3 dω π 2 c 3 ω kt ω2 kt π 2 c dω. 3 Matalilla taajuuksilla Planckin laki siis redusoituu Rayleigh n laiksi. Jos tämä jaetaan annetulla taajuusvälillä olevien värähdystilojen lukumäärällä, saadaan energiaksi värähdystilaa kohti klassisen energian tasan jakautumisen periaatteen mukaisesti taajuudesta riippumaton vakio kt. Korkeilla taajuuksilla Planckin lailla on erilainen muoto ja energiaksi värähdystilaa kohti saadaan taajuudesta riippuva funktio ( ωe ω ), joka laskee suurilla taajuuksilla nollaan. Energian tasan jakautumisen periaate ei siis ole voimassa korkeilla taajuuksilla. (c) Rayleigh n lain mukainen kokonaisenergiatiheys saadaan integroimalla u(ω, T ) kaikkien kulmataajuuksien yli, u(t ) kt πc 3 u(ω, T )dω kt 3π 2 c 3 ω 2 dω / ω 3. Vaikkakin Rayleigh n laki antaa saman tuloksen suurilla aallonpituuksilla kuin Planckin laki, pienillä aallonpituuksilla (suurilla taajuuksilla) se ei enää toimi. Taajuuden kasvaessa energiatiheys kasvaisi Rayleigh n lain mukaan rajatta eikä se pysty siten selittämään mustan kappaleen lähettämän spektrin muotoa. Tätä mahdotonta ilmiötä, jossa värähtelijä säteilisi valtavan energian sisältävää säteilyä sähkömagneettisen spektrin korkeiden taajuuksien alueella, kutsutaan ultraviolettikatastrofiksi. 3. Termisessä tasapainossa lämpötilassa T 3 K olevan säiliön tilavuus V, m 3. (a) Fotonikaasun tilan i keskimääräinen miehitysluku on n i e βɛ i. (.9) 2

Jos säteilyn aallonpituus λ 4,82 mm, sen energia ɛ hc/λ ja miehitysluvuksi saadaan ( ) n λ e hc kt λ [ ( ) 6,626693 34 J s 299792458 m s exp,38655 23 J K 3 K 4,82 3 m,29834. (b) Yksihiukkastilojen lukumäärä kulmataajuusvälillä (ω, ω + dω) on ] f(ω)dω V ω2 dω π 2 c 3. (.2) Kirjoittamalla kulmataajuus ω 2πc/λ aallonpituuden avulla saadaan dω/dλ 2πc/λ 2 dω 2πc dλ/λ 2. Jättämällä kulmataajuuden muutoksen suunta huomioimatta, (dω dω ) saadaan tilojen lukumääräksi annetulla aallonpituusvälillä (λ, λ + dλ) (4,82 mm, 4,82 mm +, mm) f(λ)dλ V (2πc/λ)2 2πc dλ/λ 2 π 2 c 3 8πV dλ λ 4 8π, m3, 3 m (4,82 3 m) 4 46564,529 4,66 5. (c) Säiliössä aallonpituusalueella (4,82 mm, 4,83 mm) olevien fotonien lukumäärä on tällä aallonpituusvälillä olevien tilojen lukumäärän ja yhden tilan keskimääräisen miehitysluvun tulo eli kohtien (a) ja (b) perusteella dn λ n λ f(λ)dλ,29834 46564,529 46565542, 4,66 7. (d) Koska jokaisella fotonilla on kapealla aallonpituusalueella (λ, λ + dλ) likimain sama aallonpituus λ eli energia hc/λ, säiliössä tällä aallonpituusalueella olevan säteilyn kokonaisenergia on kohdassa (c) lasketun fotonien lukumäärän avulla de λ hc λ dn λ 6,626693 34 J s 299792458 m s 4,82 3 m,99854 5 J,92 5 J. 46565542, 4. Helmholtzin vapaa energia on luentojen yhtälön (5.9) mukaan verrannollinen partitiofunktion logaritmiin, F (T, V, N) kt ln Z(T, V, N). Fotonikaasun partitiofunktion logaritmi voidaan 3

luentojen yhtälön (.8) mukaan kirjoittaa summana ln Z f r ln ( ) e βɛr. Kun tiloja on tiheässä, logaritmissa oleva summa voidaan muuttaa integraaliksi, jolloin fotonikaasun Helmholtzin vapaaksi energiaksi saadaan [ F f (T, V ) kt ln ( e βɛr)] kt r ln ( e βɛr) dr, missä ɛ r ω ja dr on niiden yksihiukkastilojen lukumäärä, joiden indeksi on pienellä välillä (r, r + dr). Näiden tilojen kulmataajuus on vastaavasti pienellä välillä (ω, ω + dω), jolloin integraali voidaan kirjoittaa muotoon F f (T, V ) kt ln ( e βɛr) f(ω)dω, missä edellä mainitulla kulmataajuusvälillä olevien tilojen lukumäärä Fotonikaasun Helmholtzin vapaan energian lauseke on siis F f (T, V ) kt V π 2 c 3 f(ω)dω V ω2 dω π 2 c 3. (.2) ω 2 ln ( e β ω) dω. Opastuksen mukaan x 2 ln( e x ) dx π 4 /45, joten merkitsemällä x β ω saadaan ω 2 x 2 /(β ) 2, dω dx/(β ) ja F f (T, V ) kt V π 2 c 3 (β ) 3 V π2 (kt ) 4 45(c ) 3 π 2 k 4 3 5 3 c V T 4 3 3 av T 4. x 2 ln( e x ) dx (a) Fotonikaasun tilanyhtälö saadaan laskettua paineen yhtälön avulla, ( ) Ff P f V T ( 3 ) V av T 4 (5.9) 3 at 4, missä a π 2 k 4 /(5 3 c 3 ) on edellä määritelty vakio. 4

(b) Entropian lauseke saadaan derivoimalla fotonikaasun Helmholtzin vapaata energiaa lämpötilan suhteen, ( ) Ff S f (7.39) T V ( 3 ) T av T 4 4 3 av T 3. (c) Helmholtzin vapaa energia on luentojen yhtälön (5.) mukaan muotoa F E T S, josta saadaan sisäisen energian lausekkeeksi kohdan (b) tuloksen avulla E f F f + T S f 3 av T 4 + T av T 4. ( ) 4 3 av T 3 Lasketaan edellä esitetyille suureille numeroarvot tilavuudessa V m 3 Auringon pinnalla, missä lämpötila T 578 K. Lausekkeissa esiintyvän vakion a numeroarvo on a π2 k 4 5 3 c 3 jolloin paineen arvoksi saadaan 8π5 k 4 5(hc) 3 8π 5 (,38655 23 J K ) 4 5 (6,626693 34 J s 299792458 m s ) 3 7,5657694 6 J K 4 m 3, P f 3 at 4 3 7,5657694 6 J K 4 m 3 (578 K) 4 entropian arvoksi,284777 Pa,28 Pa, S f 4 3 av T 3 sisäisen energian arvoksi 4 7,5657694 6 J K 4 m 3 m 3 (578 K) 3 3,94793 J K,95 4 J K, E f av T 4 7,5657694 6 J K 4 m 3 m 3 (578 K) 4,8444355 J,844 J 5

ja Helmholtzin vapaan energian arvoksi F f 3 av T 4 6 J K 4 m 3 m 3 (578 K) 4 3,284777 J,28 J. 5. Tarkastellaan avointa systeemiä, johon sijoitettu hiukkanen voi olla yhdessä kolmesta yksihiukkastilasta, joiden energiat ovat ɛ, ɛ 2 E ja ɛ 3 3E. Systeemi on energian ja hiukkasten vaihdossa elektroneista muodostuvan lämpökylvyn kanssa, jonka kemiallinen potentiaali lämpötilassa T 2E/k on µ(t ) E. Systeemin partitiofunktio on tällöin luentojen yhtälön (.7) mukainen suurkanoninen partitiofunktio Z i Z i, missä Z i n e β(ɛ i µ)n i (.8) on yksihiukkastilan i antama osuus systeemin suurkanoniseen partitiofunktioon. n i (a) Elektronit noudattavat Paulin kieltosääntöä, jonka mukaan kaksi identtistä fermionia ei voi miehittää samaa kvanttitilaa yhtä aikaa. Tästä syystä kullakin yksihiukkastilalla voi olla enintään yksi elektroni. Koska systeemi on hiukkasten vaihdossa lämpökylvyn kanssa, elektronien lukumäärä systeemissä voi vaihdella siten, että vähimmillään mitään systeemin yksihiukkastiloista ei ole miehitetty ja enimmillään kaikki tilat on miehitetty. Systeemin mahdolliset tilat on esitetty kuvan energiatasokaaviossa. ɛ 3E E 2 3 4 5 6 7 8 i Kuva : Systeemin mahdolliset tilat i. Ympyrät kuvaavat miehitettyjä energiatasoja. Energiatasokaaviosta nähdään, että systeemin mahdollisten tilojen lukumäärä on kahdeksan. Tiloja vastaavat yksihiukkastilojen miehityslukujen joukot (n, n 2, n 3 ) ovat kuvan järjestyksessä 2 3 4 5 6 7 8 (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) (,, ) (b) Kunkin yksihiukkastilan i osuus systeemin suurkanoniseen partitiofunktioon voidaan laskea edellä esitetyn summan (.8) avulla. Koska elektronit ovat fermioneja, kunkin 6

tilan suurin mahdollinen miehitysluku n, jolloin Z i n i e β(ɛ i µ)n i + e β(ɛ i µ), missä µ µ(t ) E ja β /(kt ) /(2E). Ensimmäisen tilan tapauksessa (ɛ ) toisen tilan tapauksessa (ɛ 2 E) Z + e β(ɛ E) + e E 2E 2,6487227 2,65, Z 2 + e β(ɛ 2 E) + e 2 ja kolmannen tilan tapauksessa (ɛ 3 3E) Z 3 + e β(ɛ 3 E) + e 2E 2E + e,36787944,37. (c) Miehitysluvun n i esiintymistodennäköisyys on yhtälöiden (.2) ja (.2) mukaan p i (n i ) Z i e β(ɛ i µ)n i, jolloin todennäköisyys sille, että yksihiukkastila on (i) tyhjä eli n on ja (ii) miehitetty eli n p () Z e β(ɛ µ) 2,6487227,37754668 37,8 % p () Z e β(ɛ µ) e E kt Z e 2 2,6487227,62245933 62,2 %. 7

Tapausten (i) ja (ii) todennäköisyyksien summa 37,8 % + 62,2 % % kuten kuuluu ollakin, koska Paulin kieltosäännön vuoksi tilan miehitysluku voi olla vain tai. (d) Todennäköisyys sille, että yksihiukkastilat ja 3 on miehitetty, mutta tila 2 on tyhjä eli n ja n 2 ja n 3, on yhtälön (.9) mukaan yksihiukkastilojen todennäköisyyksien tulo p(,, ) p ()p 2 ()p 3 () Z e β(ɛ µ)n Z 2 e β(ɛ 2 µ)n 2 Z 3 e β(ɛ 3 µ)n 3 e β(ɛ µ)n β(ɛ 2 µ)n 2 β(ɛ 3 µ)n 3 Z Z 2 Z 3 e β( E) β(e E) β(3e E) Z Z 2 Z 3 e E 2E Z Z 2 Z 3 e 2 2,6487227 2,36787944,8372548 8,37 %. (e) Fermionien tapauksessa yksihiukkastilan i keskimääräinen miehitysluku on n i joten tilan 2 keskimääräiseksi miehitysluvuksi saadaan e β(ɛ i µ) +, (.27) n 2 e β(ɛ 2 µ) + e β(e E) + 2. (f) Hiukkasten kokonaislukumäärän keskiarvo saadaan summaamalla kaikkien yksihiukkastilojen keskimääräiset miehitysluvut, N i n i e β(ɛ i µ) + i e β( E) + + e β(e E) + + e β(3e E) + e E 2E + + e + + e 2E 2E + e 2 + + 2 + e +,394753,39. 8