1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

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

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

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

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,

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

6. Yhteenvetoa kurssista

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

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

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

7 Termodynaamiset potentiaalit

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

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

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

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Kvanttifysiikan perusteet 2017

8. Klassinen ideaalikaasu

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 Kevät 2016

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

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

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

H7 Malliratkaisut - Tehtävä 1

Teddy 1. välikoe kevät 2008

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

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

3. Statistista mekaniikkaa

Suurkanoninen 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

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

4. Termodynaamiset potentiaalit

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Matematiikan tukikurssi

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

KLASSISET TASAPAINOJOUKOT (AH 4.3, , 7.2) Yleisesti joukoista

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

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

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

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

2. Termodynamiikan perusteet

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 2. viikolle /

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Matematiikan tukikurssi


MS-A0104 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ELEC2) MS-A0106 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (ENG2)

Luvun 12 laskuesimerkit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

, c) x = 0 tai x = 2. = x 3. 9 = 2 3, = eli kun x = 5 tai x = 1. Näistä

Tenttiin valmentavia harjoituksia

x 4 e 2x dx Γ(r) = x r 1 e x dx (1)

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

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

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

3. Statistista mekaniikkaa

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Matematiikan tukikurssi

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Matematiikan tukikurssi

1. Määritä funktion f : [ 1, 3], f (x)= x 3 3x, suurin ja pienin arvo.

3. Statistista mekaniikkaa

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Clausiuksen epäyhtälö

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

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

Diplomi-insinööri- ja arkkitehtikoulutuksen yhteisvalinta 2018 Insinöörivalinnan matematiikan koe, , Ratkaisut (Sarja A)

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

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

Mustan kappaleen säteily

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

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

Matemaattinen Analyysi

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Matematiikan tukikurssi

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

2 exp( 2u), kun u > 0 f U (u) = v = 3 + u 3v + uv = u. f V (v) dv = f U (u) du du f V (v) = f U (u) dv = f U (h(v)) h (v) = f U 1 v (1 v) 2

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

Mustan kappaleen säteily

Matematiikan tukikurssi

Transkriptio:

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 5, ratkaisut syyslukukausi 204). Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta E n n + ) ω, n 0,, 2,... 2 a) Oskillaattorin partitiofunktio saadaan sijoittamalla oskillaattorin energiat partitiofunktion lausekkeeseen β / ), Z n0 n0 e ωβ 2 e ωβ 2 e Enβ e n+ 2 ) ωβ n0 e n ωβ ) e ωβ n. n0 Tämä on muotoa Z A n0 xn oleva geometrinen sarja, missä A e ωβ/2 ja x e ωβ. Sarja suppenee, jos x < eli jos ωβ > 0. Vakiot ja k ovat positiivisia. Jos oletetaan, että myös T ja ω ovat positiivisia T, ω 0), ehto toteutuu ja sarja suppenee lausekkeeksi Z A x e ωβ/2 e ωβ e ω 2 e ω b) Tilojen todennäköisyydet saadaan Boltzmannin jakaumasta, Perustilan n 0 todennäköisyys on p 0 Z e E 0. p n Z e En. e ω 2 e ω e ω ja ensimmäisen viritystilan n todennäköisyys p Z e E e ω e ω 2 e ω e ω ) e ω 2 ) e 3 ω 2 ).

c) Luentojen yhtälön 4.30) mukaan energian keskiarvo saadaan derivoimalla partitiofunktion luonnollista logaritmia, E ln Z/ β. Edellä lasketun partitiofunktion avulla E β e ωβ/2 β ln e [ ωβ ) ωβ 2 ln e ωβ ) ] ω 2 + ωe ωβ e ωβ ) ω 2 + e ωβ ) ω 2 +. e ω d) Oskillaattorin lämpökapasiteetti C V d E /dt saadaan derivoimalla edellä laskettua energian keskiarvoa, C V d [ )] ω dt 2 + e ω ω ω k e ω ) 2e ω ) 2 e ω e ω ) 2. e) Tarkastellaan lämpökapasiteetin raja-arvoa, kun ω ) 2 i) lämpötila T 0. Merkitään x ω/ ), jolloin x. Tällöin lim C V lim T 0 Kun x on suuri, e x e x, jolloin x kx 2 e x e x ) 2. lim C V lim kx 2 ex T 0 x e 2x kx 2 lim x e, x missä sekä osoittaja että nimittäjä lähestyvät ääretöntä. Raja-arvoon voidaan tällöin soveltaa l Hôpitalin sääntöä, jonka mukaan funktioiden fx) ja gx) osamäärän raja-arvo lim x c fx)/gx) lim x c f x)/g x), mikäli lim x c fx) lim x c gx) 0 tai ±. Lämpökapasiteetin raja-arvoksi saadaan tällöin lim C 2kx V lim T 0 x e, x jossa osoittaja ja nimittäjä lähestyvät edelleen ääretöntä. Käyttämällä sääntöä uudelleen saadaan raja-arvoksi lim C 2k V lim T 0 x e 0 x eli lähestyttäessä absoluuttista nollapistettä lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa lähestyy nollaa. 2

ii) lämpötila T. Edellisen kohdan merkinnöillä x 0 ja lim C V lim T x 0 kx 2 e x e x ) 2. Koska x on nyt hyvin pieni, eksponenttifunktiota voidaan approksimoida kirjoittamalla se sarjakehitelmänä e x + x +..., joka katkaistaan lineaarisen termin jälkeen. Tällöin lim C V lim T x 0 kx 2 lim x 0 k + x) k. + x + x ) 2 Lämpötilan noustessa lämpökapasiteetti siis lähestyy Boltzmannin vakiota. 2. Yksiatomisen klassisen ideaalikaasun partitiofunktio on β ) ZT, V, N) [ ) ] 3/2 N ev 2πm. N h 2 a) Sisäisen energian keskiarvoksi saadaan partitiofunktion logaritmia derivoimalla E ln Z β β ln β N 3 2 N β 3 2 N h2 h 2 β 3 2 N. [ ev N ) ] 3/2 N 2πm h 2 β ) ev + 3 )] 2πm N 2 ln h 2 β [ ln 2πm) ln h 2 β )] [ ln 4.30) b) Sisäisen energian keskihajonta saadaan derivoimalla energian keskiarvoa, E) 2 E β E β 3N 2β 2 3 2 N. ) 3N 2β 4.33) 3

c) Paineen P keskiarvo saadaan derivoimalla partitiofunktion logaritmia, P ) ln Z 5.8) β V β [ ) ev N ln + 3N )] 2πm β V N 2 ln h 2 β β N [ ] lnev ) ln N V β N e ev N V. Kaasun paine P,00 atm 0325 Pa, lämpötila T 20 293,5 K ja tilavuus V,00 km 3,00 0 9 m 3. Sisäisen energian keskiarvon suuruus on tällöin ideaalikaasun tilanyhtälön avulla E 3 2 N 3 2 P V 3 2 0325 Pa,00 09 m 3,52 0 4 J ja keskihajonnan suuruus, kun Boltzmannin vakio k,3806505 0 23 J/K, 3 E 2 N 3 P V 2 3 2 P V 3 2 0325 Pa,00 09 m 3,3806505 0 23 J K 7,8435 0 4 J 7,84 0 4 J. Entropian muutos saadaan termodynamiikan perusrelaatiosta olettamalla, että dv 0, de T ds P dv 5.25) S E T 7,8435 0 4 J 293,5 K 2,675 0 6 J K 2,68 0 6 J K. 3. Merkitään systeemin kahta mahdollista mikrotilaa symboleilla tila ) ja tila 2). Eräässä makrotilassa näiden mikrotilojen esiintymistodennäköisyydet ovat p 2/3 ja p /3. Tarkasteltavana on kokonaissysteemi, joka koostuu edellä kuvatun yhden systeemin kuudesta identtisestä kopiosta. 4

a) Mikrotilojen esiintymislukumäärien eli miehityslukujen oletetaan vastaavan tarkasti tilojen esiintymistodennäköisyyksiä. Koska systeemin kopioita on kuusi, mikrotilassa on p 6 2 3 6 4 systeemiä ja mikrotilassa puolestaan p 6 3 6 2 systeemiä. Luonnollisesti p +p, joten olisi voitu laskea myös p p ) 6 6 4 2. b) Kokonaissysteemin fysikaalisesti erilaiset tilat saadaan luettelemalla kopioiden sellaiset permutaatiot, jotka noudattavat kohdan a) tuloksia. Nämä tilat yhteensä 5 kappaletta) on esitetty alla: c) Luentojen perusteella tilojen lukumäärä voidaan laskea lausekkeesta Ω N N! N!N 2!N 3! N r!, 5.) missä N on systeemien lukumäärä ja N r mikrotilaan r kuuluvien systeemien lukumäärä. Tarkasteltavan kokonaissysteemin tapauksessa r 2, N 6, N 4 ja N 2 2, jolloin mikä on sama tulos kuin edellä. Ω 6 6! 4!2! 6 5 4! 4! 2 5, d) Entropia on luentojen yhtälön 4.3) mukaan suoraan verrannollinen mikrotilojen lukumäärän luonnolliseen logaritmiin, S k ln Ω, jolloin S k ln Ω 6 ln 5 2,708. e) Kokonaissysteemin entropia on osasysteemien entropioiden summa. Koska systeemit ovat toistensa kopioita, yhden systeemin antama osuus kohdan d) entropiaan on S k N ln Ω 6 ln 5 6 0,45. f) Kun systeemin kopioiden lukumäärä lähestyy ääretöntä, käytetään Gibbsin entropian 5

määritelmää, jolloin yhden systeemin antama osuus kokonaissysteemin entropiaan on S k r p r ln p r 5.5) S k r p r ln p r p ln p + p ln p ) 2 3 ln 2 3 3 ln 3 0,637. 4. Informaation muutos I on verrannollinen entropian muutokseen S Q/T, missä Q on systeemiin tuotu lämpömäärä. a) Ideaalikaasun isotermisessä puristuksessa E 0, jolloin termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön nojalla Q W. Ideaalikaasun tilanyhtälön P V nrt avulla Q V 2 V V 2 V P dv nrt V dv / V 2 nrt ln V V nrt ln V 2 ln V ) nrt ln V ) 2 ln V nrt ln 2 nrt ln 2. Entropian muutokseksi saadaan siirtyneen lämpömäärän avulla S Q T nrt ln 2 T Nk ln 2. Informaation muutos saadaan jakamalla puolittain luentojen yhtälöt S k r I C r p r ln p r 5.5) p r ln p r ln 2 p r ln p r, 5.) r 6

jolloin S k ln 2 I S k I ln 2 I S k ln 2 Nk ln 2 k ln 2 N. Informaatio siis lisääntyy N bittiä. b) Adiabaattisessa puristuksessa Q 0, jolloin S 0. Siitä seuraa, että I 0, joten informaatio ei muutu adiabaattisessa puristuksessa. 5. Jääkaapista otetaan m 0,500 kg kivennäisvettä, joka lämpenee päivän aikana alkulämpötilasta T 5,0 278,5 K huoneen vakiona pysyvään lämpötilaan T 2 20,0 293,5 K. Veden ominaislämpökapasiteetti tällä lämpötila-alueella on c 490 J/kg K). a) Veden lämmetessä arvosta T arvoon T + dt siihen siirtyy ympäristöstä lämpömäärä d Q cmdt. Veden entropian muutokseksi S v saadaan tällöin luentojen mukaan ds d Q T S v T 2 T cm T dt / T 2 cm ln T T cm ln T2 T ) 490 J kg K 0,500 kg ln 0,037543 J K 0 J K. ) 293,5 K 278,5 K 5.28) b) Veden lisäksi myös huoneen entropia S h muuttuu prosessin aikana. Koska lämpöä siirtyy veteen, ympäristöön tuotu lämpömäärä on negatiivinen, ja koska huoneen lämpötila T 2 ei oleellisesti muutu kyseessä on vesipullon kannalta lämpökylpy), S h T 2 T cm T 2 cm dt T 2 / T 2 T T cm T 2 T T 2 7

490 J kg K 293,5 K 278,5 K 0,500 kg 293,5 K 07,976804 J K 07 J K. Tuloksista nähdään, että vaikka ympäristön entropia pienenee prosessin aikana, kokonaisentropia S S v + S h kasvaa: S v + S h 3 J/K > 0. 6. Jos mustan aukon massa on M, sillä on entropia S 8π2 kgm 2, hc missä k on Boltzmannin vakio, G gravitaatiovakio, h Planckin vakio ja c valon tyhjiönopeus. a) Kun Käytetään energian ja massan ekvivalenttisuutta E mc 2, saadaan mustan aukon entropia kirjoitettua muodossa S 8π2 kgm 2 hc αm 2 α E2 c 4, missä α 8π 2 kg/hc). Entropian muutos saadaan differentioimalla, ds α 2E c 4 de α 2E c 4 dmc2 ). Luentojen yhtälön avulla lämpötilaksi saadaan T d Q ds dmc2 ) α 2E dmc c 2 ) 4 c 4 8π 2 kg2mc hc 2 hc 3 6π 2 kgm. 5.28) b) Käyttämällä termodynaamisen lämpötilan määritelmää, saadaan T ds de α2e T c 4 hc 3 6π 2 kgm. 4.9) 8

c) Mustan aukon lämpövirta on Stefan-Boltzmannin lain mukaan h σt 4. 3.22) Käyttämällä Schwarzschildin sädettä R 2GM/c 2, säteilytehoksi saadaan P ha σt 4 4πR 2 ) hc 3 4 2GM σ 4π 6π 2 kgm c ) 2 h 4 c 2 4π4G 2 M 2 σ 6 4 π 8 k 4 G 4 M 4 c 4 σh 4 c 8 6 3 π 7 k 4 G 2 M. 2 d) Tarkastellaan hiiliatomin ytimen kokoista mustaa aukkoa, jonka säde R 3 0 5 m. Vakioiden arvot ovat G 6,67384 0 m 3 /kg s 2 ), h 6,6260693 0 34 J s, k,3806505 0 23 J/K, σ 5,670400 0 8 W/m 2 K 4 ) ja c 299792458 m/s. i) Massaksi saadaan Schwarzschildin säteen avulla ii) Entropiaksi saadaan S 8π2 kgm 2 hc M Rc2 2G ) 2 3 0 5 m 299792458 m s ) 2 2 6,67384 0 m 3 kg s 2 2,020025605 0 2 kg 2,02 0 2 kg. 8π2,3806505 0 23 J K 6,67384 0 m 3 kg s 2 6,6260693 0 34 J s 299792458 m s 2,020025605 0 2 kg) 2,494467069 0 8 J K,49 0 8 J K. iii) Lämpötilaksi saadaan hc 3 T 6π 2 kgm 6,6260693 0 34 J s 299792458 m s ) 3 6π 2,3806505 0 23 J K 6,67384 0 m 3 kg s 2 2,020025605 0 2 kg 6,074099963 0 0 K 6,07 0 0 K. 9

iv) Säteilytehoksi saadaan edellä laskettujen lukuarvojen avulla P ha 4σT 4 πr 2 4 5,670400 0 8 W m 2 K 4 6,074099963 0 0 K) 4 π 3 0 5 m) 2 87295892,42 W 87,3 MW. Jos musta aukko säteilisi vakioteholla P E/t, sen elinaika olisi t E P Mc2 P 2,020025605 02 kg 299792458 m s ) 2 87295892,42 W 2,07978098 0 2 s 6,59 0 3 a. 0