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

Samankaltaiset tiedostot
L 0 L. (a) Entropian ääriarvo löydetään derivaatan nollakohdasta, dl = al 0 L )

S Fysiikka III (EST), Tentti

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,

.) (b) Vertaa p :tä vastaavaa kineettistä energiaa perustilan kokonaisenergiaan. ( ) ( ) = = Ek

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

VALTIOTIETEELLINEN TIEDEKUNTA TILASTOTIETEEN VALINTAKOE Ratkaisut ja arvostelu

S Fysiikka IV (ES) Tentti

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM) Laskuharjoitus 4 / vko 47, mallivastaukset

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

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 8: Integraalifunktio ja epäoleellinen integraali

Integraalilaskentaa. 1. Mihin integraalilaskentaa tarvitaan? MÄNTÄN LUKIO

4 Pinta-alasovelluksia

Painopiste. josta edelleen. x i m i. (1) m L A TEX 1 ( ) x 1... x k µ x k+1... x n. m 1 g... m n g. Kuva 1. i=1. i=k+1. i=1

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

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 9. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 9 () Numeeriset menetelmät / 29

2.4 Pienimmän neliösumman menetelmä

II.1. Suppeneminen., kun x > 0. Tavallinen lasku

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

6 Integraalilaskentaa

Riemannin integraalista

Kertymäfunktio. Kertymäfunktio. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 2/2. Kertymäfunktio: Mitä opimme? 1/2. Kertymäfunktio: Esitiedot

OSA 1: POLYNOMILASKENNAN KERTAUSTA, BINOMIN LASKUSÄÄNTÖJÄ JA YHTÄLÖNRATKAISUA

missä t on matkaan raosta varjostimelle kuluva aika. Jos suihkun elektronien liikemäärä x- sunnassa on p x,on min y0min 0min

Sarjaratkaisun etsiminen Maplella

Sinilause ja kosinilause

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

a = x 0 < x 1 < x 2 < < x n = b f(x) dx = I. lim f(x k ) x k=1

Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet Harjoitus 5, mallivastaukset Syksy 2016

LYHYEN MATEMATIIKAN SIMULOITU YO-KOE 2 RATKAISUT

Ristitulo ja skalaarikolmitulo

Matematiikan tukikurssi

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

b) (max 3p) Värähtelijän jaksonajan ja taajuuden välinen yhteys on T = 1/ f, eli missä k on jousen jousivakio. Neliöimällä yllä oleva yhtälö saadaan

Matematiikan tukikurssi

Kuva 1. n i n v. (2 p.) b) Laske avaimiesi etäisyys x altaan seinämästä. (4 p.) c) Kuinka paljon lunta voi sulaa enintään Lassen suksien alla?

Käydään läpi: ääriarvo tarkastelua, L Hospital, integraalia ja sarjoja.

b) (max 3p) Värähtelijän jaksonajan ja taajuuden välinen yhteys on T = 1/ f (++), eli

Reaalinen lukualue. Millainen on luku, jossa on päättymätön ja jaksoton desimaalikehitelmä?

x k 1 Riemannin summien käyttö integraalin approksimointiin ei ole erityisen tehokasta; jatkuvasti derivoituvalle funktiolle f virhe b

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

5 Epäoleellinen integraali

Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet Harjoitus 6, mallivastaukset Syksy 2016

Mikrotalousteoria 2, 2008, osa III

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ PISTEYTYSKOKOUS

sin θ θ θ r 2 sin 2 θ φ 2 = 0.

T Syksy 2002 Tietojenkäsittelyteorian perusteet Harjoitus 5 Demonstraatiotehtävien ratkaisut. ja kaikki a Σ ovat säännöllisiä lausekkeita.

LINSSI- JA PEILITYÖ TEORIAA. I Geometrisen optiikan perusaksioomat

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Määritelmä Olkoon C R m yksinkertainen kaari ja γ : [a, b] R m sen yksinkertainen parametriesitys, joka on paloittain C 1 -polku.

Oikea vastaus: c) (max 2p) Tehtävän tarkkuus on kaksi numeroa.

TYÖNTEKIJÄN ELÄKELAIN MUKAISEN ELÄKEVAKUUTUKSEN YLEISET LASKUPERUSTEET

11 Kvantti-ideaalikaasu

2.1 Vaillinaiset yhtälöt

Viikon aiheet. Pinta-ala

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 8

SARJAT JA DIFFERENTIAALIYHTÄLÖT Funktiojonot 1

TEHTÄVÄ 1. Olkoon (f n ) jono jatkuvia funktioita f n : [a, b] R, joka suppenee välillä [a, b] tasaisesti kohti funktiota f : [a, b] R.

Kuvausta f sanotaan tällöin isomorfismiksi.

S Fysiikka IV (ES) Tentti RATKAISUT. 1,0*10 m. Kineettinen energia saadaan kun tästä vähennetään lepoenergia: 2

1. Derivaatan Testi. Jos funktio f on jatkuva avoimella välillä ]a, b[ ja x 0 ]a, b[ on kriit. tai singul. piste niin. { f (x) > 0, x ]a, x 0 [

Esimerkki 8.1 Määritellään operaattori A = x + d/dx. Laske Af, kun f = asin(bx). Tässä a ja b ovat vakioita.

TYÖ 30. JÄÄN TIHEYDEN MÄÄRITYS. Tehtävänä on määrittää jään tiheys.

VEKTOREILLA LASKEMINEN

Integraalilaskenta. Määrätty integraali

Riemannin integraali

Syksyn 2015 Pitkän matematiikan YO-kokeen TI-Nspire CAS -ratkaisut

Analyysi 2. Harjoituksia lukuihin 1 3 / Kevät Anna sellainen välillä ] 2, 2[ jatkuva ja rajoitettu funktio f, että

Analyysin perusteet kauppatieteilijöille P

4 Taso- ja avaruuskäyrät

601 Olkoon tuntematon kateetti a ja tuntemattomat kulmat α ja β Ratkaistaan kulmat. 8,4 = 12. Ratkaistaan varjon pituus x. 14 x = 44,

Matematiikan tukikurssi

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

2 Epäoleellinen integraali

Vakioiden variointi kolmannen kertaluvun yhtälölle

4. Reaalifunktioiden määrätty integraali

ICS-C2000 Tietojenkäsittelyteoria Kevät 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

766319A Sähkömagnetismi, 7 op Kertaustehtäviä, 1. välikokeen alue Vastaukset tehtävien jälkeen

Matematiikan tukikurssi. Hannu Kivimäki

Vastaa tehtäviin 1-4 ja valitse toinen tehtävistä 5 ja 6. Vastaat siis enintään viiteen tehtävään.

5 ( 1 3 )k, c) AB 3AC ja AB AC sekä vektoreiden AB ja

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

Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta. Viivaintegraali: "Pac- Man" - tulkinta. "Perinteisempi" tulkinta: 1D 3/19/13

lim + 3 = lim = lim (1p.) (3p.) b) Lausekkeen täytyy supistua (x-2):lla, joten osoittajan nollakohta on 2.

763333A KIINTEÄN AINEEN FYSIIKKA Ratkaisut 1 Kevät 2014

Preliminäärikoe Pitkä Matematiikka

7 Funktiosarjoista. 7.1 Funktiosarjojen suppeneminen

θ 1 θ 2 γ γ = β ( n 2 α + n 2 β = l R α l s γ l s 22 LINSSIT JA LINSSIJÄRJESTELMÄT 22.1 Linssien kuvausyhtälö

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Sisältö. Funktiojonot ja -sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 15

Digitaalinen videonkäsittely Harjoitus 5, vastaukset tehtäviin 25-30

Teoriaa tähän jaksoon on talvikurssin luentomonisteessa luvussa 10. Siihen on linkki sivulta

Muita määrätyn integraalin sovelluksia

3 Integraali ja derivaatta

Tee B-osion konseptiin etusivulle pisteytysruudukko! Muista kirjata nimesi ja ryhmäsi. Välivaiheet perustelevat vastauksesi!

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 7: Integraali ja analyysin peruslause

Transkriptio:

7668A Termofysiikk Hrjoitus no 1, rtkisut (syyslukukusi 14) 1 Lämpötilss T K elektronien energit eivät ylitä Fermin energi (ɛ i ɛ F ), lämpötilprmetri β j kemillinen potentili vst Fermin energi (µ() ɛ F ) () Energivälillä (ɛ, ɛ + dɛ) eli vuhtivälillä (v, v + dv) olevien elektronien lukumäärä d(ɛ) 4πV h (m) ɛ dɛ e β(ɛ µ) + 1 (114) Absoluuttisess nollpisteessä termi e β(ɛ µ) e β(ɛ F ɛ) e, jolloin elektronien lukumäärä d(ɛ) ɛ dɛ eli päädytään luentojen yhtälöprin (114) mukiseen tulokseen Energi ɛ mv /, jost sdn dɛ/dv mv dɛ mv dv Sijoittmll nämä elektronien lukumäärän yhtälöön d(ɛ) sdn d(v) 4πV h (m) mv /mv dv 8πV m v dv h (b) Elektronien lukumäärä voidn esittää tiln miehitysluvun j tilojen lukumäärän tulon Fermionien tpuksess tiln i keskimääräinen miehitysluku on n i 1 e β(ɛ i µ) + 1, (11) missä eksponenttitermi on bsoluuttisess nollpisteessä jälleen noll, jolloin keskimääräinen miehitysluku n i 1 kikill tiloill i Yksihiukkstiloj, joiden liikemäärä on välillä (p, p + dp) on f(p)dp 8πV p dp h (111) kpplett Liikemäärän lusekkeest p mv sdn dp m dv Sijoittmll nämä lusekkeeseen f(p)dp sdn yksihiukkstilojen lukumäärä f v (v)dv vuhtivälillä (v, v + dv) j edelleen elektronien lukumääräksi mikä on sm tulos kuin kohdss () d(v) n i f v (v)dv 1 8πV (mv) m dv h 8πV m v dv, h (c) Elektronien lukumäärä d(v) v dv on vuhdin ksvv funktio Fermin energin sti, joss se menee (bsoluuttisess nollpisteessä) skelmisesti nolln (ktso esimerkiksi luentojen kppleen 11-6 kuv ) Vuhdin ksvess siis ksv niiden elektronien lukumäärä, joill on kyseinen vuhti Todennäköisin vuhdin rvo on siten se, joll d(v) svutt mksimins, mikä tphtuu täsmälleen Fermin energin kohdll Tätä vstv vuhti v F kutsutn Fermin vuhdiksi 1

(d) Diskreetin muuttujn x pinotettu keskirvo on x n i1 x iw i n i1 w, i missä w i ovt rvojen x i pinokertoimi Jos muuttuj noudtt jtkuv jkum w(x), sen keskirvo välillä (, b) on vstvsti x b b xw(x) dx w(x) dx Merkitään d(v):n lusekkeess esiintyviä vkioit 8πV m h, jolloin d(v) v dv Tällöin nopeuden keskirvoksi sdn v d(v) v d(v) Sijoittmll d(v) j huomioimll, että luentojen yhtälöryhmän (114) mukisesti se on nollst poikkev vin Fermin energin (eli nopeuteen) sti, sdn v v F v F vv dv v dv / vf 4 / vf 4 v F v 4 dv v dv (e) Vuhdin neliön keskirvo on v v d(v) d(v) / vf v 5 5 / vf v 5 v F eliöllinen keskivuhti on tämän vull v 5 v F

Elektroniksun Helmholtzin vpn energin srjkehitelmä on F (T, V, ) ( ) 5 ɛ F 1 5π kt + ] 1 Sen vull voidn joht pineen, entropin j sisäisen energin srjkehitelmien lkuost ottmll huomioon edellä minitun kehitelmän kksi ensimmäistä termiä () Tilnyhtälö sdn muodostmll Helmholtzin vpn energin vull pineelle yhtälö muiden tilmuuttujien funktion Luentojen mukn ( ) F P (519) V T F ɛ F ɛ F V, missä on käytetty derivoinnin ketjusääntöä, kosk F F (ɛ F ) j ( ) ɛ F (, V ) h (1145) m 8πV Sijoittmll pineen lusekkeeseen Helmholtzin vpn energin srjkehitelmän kksi ensimmäistä termiä sdn derivoinnist ( ( ) ) P 5 1 5π kt + 5 ( ) ] 1 ɛ ɛ F 5π kt ɛ 1 F F 1 ɛ F ( ) ] h V 1 m 8πV Jälkimmäinen hksulkuluseke on ɛ FV 1, joten tilnyhtälöksi sdn P V ( ) ] 5 ɛ F 1 + 5π kt 1 (b) Myös entropin luseke sdn Helmholtzin vpt energi derivoimll, ( ) F S T V ( ( ) )] T 5 ɛ F 1 5π kt 1 ɛ F 6 ( ) 5 ɛ 5π kt 1 F 1 T ɛ F ɛ F ɛ F (79) (c) Helmholtzin vp energi on luentojen yhtälön (51) mukn F E T S, joten sisäinen energi on kohdn (b) tuloksen vull E F + T S ( ) ] 5 ɛ F 1 5π kt 1 ɛ F 5 ɛ F 1 + 5π ( ) ] kt 1 P V ɛ F + ( ) 5 ɛ 5π kt F 1 ɛ F

Absoluuttisess nollpisteessä T K Hopen tiheys ρ 1,5 g/cm j moolimss M m 17,9 g/mol Jokisest hope-tomist irto elektroniksuun yksi elektroni, jonk mss m e 9,1986 1 1 kg Hopen elektroniksun Fermin energi tilvuudess V 1 m on edellä esitetyn yhtälön mukn j pine ɛ F h m h m e ( 8π ( 8π V ) ρ A M m ) (6,6669 1 4 J s) 9,1986 1 1 kg ( 8π 1,5 16 g m 6,1415 1 mol 1 17,9 g mol 1 8,8144794 1 19 J 5,5 ev P ( ) ] 5 V ɛ F 1 + 5π kt 1 ɛ F ) ρ A ɛ F 5 M m 5 1,5 16 g m 6,1415 1 mol 1 17,9 g mol 1 8,8144794 1 19 J,6619848 1 1 P,7 1 1 P Entropi on kohdn (b) mukn suorn verrnnollinen lämpötiln, jolloin bsoluuttisess nollpisteessä S J/K Tällöin myös T S J, joten elektroniksun sisäinen energi j Helmholtzin vp energi ovt yhtä suuri, E F 5 ɛ F 5 V ɛ FV ρ A ɛ F V 5 M m 5 1,5 16 g m 6,1415 1 mol 1 17,9 g mol 1 8,8144794 1 19 J 1 m,99977 1 1 J,1 1 1 J Trkstelln suljetuss säiliössä olev, identtisestä bosonist koostuv ideliksu Yhden hiukksen prtitiofunktio on tehtävännnon mukn ( ) πmkt Z 1 Z1 tr V (1) h 4

() Rjll T, µ hiukksten lukumäärä voidn esittää luentojen yhtälön (1161) mukn muodoss Tc /, missä vkio,61v ( πmk/h ) / Tällöin ( ) πmk V, h,61t c jolloin prtitiofunktio (1) sdn muotoon missä vkio α,61 ( πmk Z 1 V α ( T h ), ) T () (b) Todennäköisyys sille, että lämpötilss T / säiliössä yksinään olev hiukknen on perustilss, jonk energi on ɛ 1, on p 1 e βɛ 1 Z 1 (4) e Z 1 ( Tc α T α ( Tc α Jos on kondenstiolämpötil ksulle, jot säiliössä on n 1 mol, hiukksten lukumäärä on Avogdron luvun vull esitettynä n A j ) ) p 1 α n A,61 1 mol 6,1415 1 mol 1 1,6781478 1 1, 1 (c) Jos hiukksi on kpplett j ne ovt toisistn riippumttomi, perustiln keskimääräinen miehitysluku sdn hiukksten lukumäärän j yhden hiukksen todennäköisyyden p 1 tulon, n 1 p 1 α,61 7,8785165 7,9 5

(d) Kun huomioidn Bose-Einstein-kondenstio, hiukksten suhteellinen lukumäärä perustilss on luentojen mukn ( ) 1 T 1, kun T < Tc (1164) Lämpötilss T / tämän lukurvoksi sdn ( ) 1 1 Tc 1 1,64644669 Kun ksu on n 1 mol, n A j perustiln keskimääräinen miehitysluku 1,64644669n A,64644669 1 mol 6,1415 1 mol 1,899995 1,89 1, mikä on huomttvsti suurempi luku kuin kohdss (c) lskettu (e) Äärimmäisen mtliss lämpötiloiss β 1/(kT ) on hyvin suuri, jolloin prtitiofunktion Z 1 r e βɛr e βɛ 1 + e βɛ + e βɛ + ensimmäinen termi (ɛ 1 ) e βɛ 1 1 on hyvin suuri verrttun muihin termeihin Yhtälön (1) mukisen prtitiofunktion johto perustuu luentojen integrliin (918), joss perustil vstv termiä ei huomioid linkn, kosk f(p)dp p dp, kun p Äärimmäisen mtliss lämpötiloiss yhtälöä (1) on siis korjttv lisäämällä siihen puuttuv termi e 1, jolloin sdn ( ) πmkt Z 1 1 + V () Yhtälön () vull tämä voidn kirjoitt myös muodoss Z 1 1 + ( ) T α Korjus on trpeellinen, kun korjustermi on sm luokk kuin Z 1 ilmn korjust Asettmll korjustermi yhtäsuureksi vkiotermin 1 knss sdn ( ) T 1 α h α T T c ( α T ) Tc Lämpötil T, joss korjustermi tulee merkittäväksi on pieni, kosk on suuri Jos ksu on esimerkiksi yksi mooli, suhteellinen lämpötil T/,7 1 16 6

(f) Todennäköisyys sille, että bsoluuttisess nollpisteessä yksinään olev hiukknen on perustilss (ɛ 1 ), on korjtun prtitiofunktion () vull p 1 e βɛ 1 Z 1 e Z 1 1 1 + V ( πmkt h ) ] 1 Jos toisistn riippumttomi hiukksi on kpplett, keskimääräinen miehitysluku on T K lämpötilss n 1 p 1 Bose-Einstein-kondenstio huomioiden sdn luentojen yhtälön (1164) mukn ( ) 1 T 1 1 1 eli bsoluuttisess nollpisteessä sdn kummllkin tvll sm tulos 4 Kondenstiolämpötil voidn rtkist luennoiss johdetust yhtälöstä V ( h πmk ) /,61, (116) jost sdn moolimssn M m m A vull ( ) 1 h A,61 V πm m k () triumtomeist muodostuvn ksun hiukkstiheys /V 4 1 tomi/m j moolimss M m, g/mol Kondenstiolämpötilksi sdn ( ) 1 h A,61 V πm m k ( ) 4 1 m,61 (6,6669 1 4 J s) 6,1415 1 mol 1 π, kg mol 1 1,8655 1 J K 1,7911487 1 6 K,8 µk (b) Oletetn helium 4 He ideliksuksi Kiehumispisteessä T 4, K sen tiheys ρ 1 kg/m j moolimss M m 4, g/mol Hiukkstiheydeksi sdn V ρ m 7 ρ A M m

j kondenstiolämpötilksi siten ( ) ρ A h A,61 M m πm m k ( ) ρ h 5 A,61 πm 5 m k ( ) 1 kg m,61 (6,6669 1 4 J s) (6,1415 1 mol 1 ) 5 π (,4 kg mol 1 ) 5 1,8655 1 J K 1,79677618 K,8 K Helium-:n spin on 1 eli se on fermioni Fermionit noudttvt Pulin kieltosääntöä eivätkä siis voi koke Bose-Einstein-kondenstiot 5 Kun lämpötil on kondenstiolämpötiln lpuolell (T < ), bosoneist koostuvn ideliksun lämpökpsiteetti vkiotilvuudess on ( ) T C V 1,9nR () Ksun sisäinen energi on lämpökpsiteetin määritelmän (11) mukn de C V dt, joten sisäiseksi energiksi sdn E T C V dt Sijoittmll tähän lämpökpsiteetin luseke j suorittmll integrointi sdn E 1,9nR T c T T dt 5 1,9nRT c T 5 Kondenstiolämpötiln luseke voidn rtkist luentojen yhtälöstä (116), kuten tehtävässä 4 Lämpötiln lusekkeeksi tulee ( ) 1 h,61 V πmk j sijoittmll se sisäisen energin lusekkeeseen sdn tulokseksi ( ) / πmk T 5/ E 5 1,9nR,61 V h 8

Kosk inemäärä n / A j ksuvkio R k A, missä k on Boltzmnnin vkio j A Avogdron luku, nr/ k j sisäisen energin lusekkeeksi sdn E 1,9,61 (π) 5 1,7585147 V m (kt ) 5 h 1,8(kT ) 5 m V h V m k 5 T 5 h (b) Ksun entropin infinitesimlinen muutos on määritelmän mukn ds d Q T (58) Luentojen yhtälön (56) mukn lämpömäärä d Q C V dt Sijoittmll se edelliseen yhtälöön j integroimll sdn entropin lusekkeeksi S T C V T dt Sijoittmll tähän tehtävännnon lämpökpsiteetin C V luseke sdn S 1,9nR T c T T T dt 1,9nRT c T Vertmll tätä kohdss () lskettuun tulokseen sdn entropiksi S 5 E T (c) Ksun pine sdn lskettu yhtälöstä ( ) F P, (79) V T, missä F on Helmholtzin vp energi Kohdn (b) tuloksen vull jonk vull pineelle sdn luseke F E T S (51) E T 5 E T E, P E V 9

Sijoittmll energiksi kohdn () tulos sdn pineeksi ( ) P 1,7585147(kT ) 5 m V V h 1,174765(kT )5/ m / h 1,(kT )5/ m / h Stu tulos voidn tulkit niin, että jos bosoneist muodostuv ideliksu puristetn isotermisesti, pine pysyy puristuksess hiemn yllättäen vkion 1