S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

Samankaltaiset tiedostot
S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

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

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

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

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

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Clausiuksen epäyhtälö

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

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

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

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

1 Clausiuksen epäyhtälö

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

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta. Laaditaan taulukko monisteen esimerkin 3.1. tapaan ( nj njk Pk

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 9 /

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

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

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

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

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

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

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

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

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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,

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

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

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

6. Yhteenvetoa kurssista

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

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

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 2017

ν = S Fysiikka III (ES) Tentti Ratkaisut

4. Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

V KVANTTISTATISTIIKAN SOVELLUTUKSIA

4. Termodynaamiset potentiaalit

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

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

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

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

V KVANTTISTATISTIIKAN SOVELLUTUKSIA

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

S Fysiikka III (EST), Tentti

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

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

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Lämpöopin pääsäännöt. 0. pääsääntö. I pääsääntö. II pääsääntö

(1) (2) Normalisointiehdoksi saadaan nytkin yhtälö (2). Ratkaisemalla (2)+(3) saamme

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

Kemiallinen reaktio

Lämpöopin pääsäännöt

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

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

7 Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

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

4. Termodynaamiset potentiaalit

Luku Pääsääntö (The Second Law)

PHYS-A0120 Termodynamiikka. Emppu Salonen

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

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

Käytetään lopuksi ideaalikaasun tilanyhtälöä muutoksille 1-2 ja 3-1. Muutos 1-2 on isokorinen, joten tilanyhtälöstä saadaan ( p2 / p1) = ( T2 / T1)

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

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

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

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

2. Termodynamiikan perusteet

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

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Transkriptio:

S-114.45, Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta.11.4 1. välikokeen alue 1. Osoita, että hyvin alhaisissa lämpötiloissa elektronin FD systeemin energia on U = (3/ 5) ε F. Opastus: oleta, että kaikki tilat ovat täynnä fermienergiaan saakka. Sisäenergia on määritelmän mukaan i i (1) i U = n E = g( E) f( E) EdE 1 missä FE = sillä matalissa lämpötiloissa µ E ( E EF )/ k e F. Huomataan, että kun FE = 1, + 1 kun E EF ja F( E ) = kun E > EF. Yhtälö (1) voidaan siis kirjoittaa E F U = g( E) EdE () Sijoittamalla tilatiheys 3/ m g( E) = 1/ 3 E 1/ saadaan E F 3/ 1/ 3/ m 3/ m 5/ 1/ 3 3 F 5 U = E de == E (3) Hiukkasmäärä voidaan lausua Fermienergian avulla seuraavasti: E F 1/ 3/ 1/ 3/ m 1/ m 3/ 3 3 F 3 = g E f E de = E de = E (4) Yhtälöstä (4) saadaan 1/ 3/ m 3 = E 3 3/ F Sijoittamalla tämä lauseke (3):n saadaan 3 U = E F. 5. Systeemissä on hiukkasta joiden mahdolliset energiatilat ovat ε ja ε. Olettaen, että systeemin kokonaisenergia on U osoita, että lämpötila voidaan esittää sisäenergian avulla muodossa 1 k U / ε = ln. ε + U / ε otea, että lämpötila on positiivinen (negatiivinen) jos sisäenergia on negatiivinen (positiivinen). : Partitiofunktioksi saadaan ε / k ε / k Z = e + e

Derivoimalla ε k d ε e e ln Z = d ε k k e + e / ε / k / ε / k joten sisäenergiaksi saadaan ε / k ε / k d e e x 1 U = k ln Z = ε = ε d ε / k ε / k e + e x + 1 / k e ε missä merkittiin x=. Ratkaistaan x U / ε x =. + U / ε Sijoittamalla x ja ottamalla logaritmi saadaan 1 k / ln U ε =. ε + U / ε Josta havaitaan, että < kun U> ja päinvastoin. egatiiviset lämpötilat ovat yleisesti mahdollisia systeemille, jossa energiatasot ovat ylhäältä rajoitettuja. (Esim. kaasumolekyylin energiat eivät ole - yksittäisellä molekyylillä voi olla kuinka korkea energia tahansa). 3. Ulkoisessa magneettikentässä systeemin elektroneilla on kaksi mahdollista energiatasoa E1 = µ, E =+ µ, missä µ on ohrin magnetoni. Systeemi on termisessä tasapainossa lämpötilan ollessa. Olettaen, että elektronien magneettisten alitilojen miehittyminen noudattaa M statistiikkaa a) osoita, että partitiofunktio on µ cosh Z = k ja b) johda lauseke suureille U, S ja M (magnetoituma). Esitä energiatasojen miehitysluvut lämpötilan ja kenttävoimakkuuden funktiona käyttäen Maxwell oltzmann jakaumaa. a) Merkitään ε = µ. Alemman tilan energia on siis E1 = ε ja ylemmän E = ε Partitiofunktio lasketaan tavalliseen tapaan: ε / k ε / k µ Z e e cosh ( ε / k) cosh = + = = k. (1) b) Sisäenergia : d sinh ( ε / k ) U = k ( ln Z) = ε = ε tanh ( ε / k) () d cosh ε / k Huomataan, että sisäenergia voitaisiin laskea myös lausekkeesta: + ε / k ε / k U = n1e1+ ne = ( ε) e + ( ε) e = ε tanh ( ε / k). (3) Z Z Magnetoituminen (lasketaan positiiviseksi magneettikentän suuntaan) M = n1µ nµ = µ ( n1 n) = µ tanh ( ε / k) (4) utkimalla eksponenttifunktion käyttäytymistä :n funktiona pitämällä vakiona huomataan, että kun U ε ja M µ ts. kaikki magneettiset momentit asettuvat kentän suuntaan alhaisissa

lämpötiloissa. astaavasti kun huomataan, että U ja M. Lämpöliike tuhoaa ulkoisen kentän luoman orientaatio efektin. Entropiaa laskettaessa on huomattava entropian jakautuminen värähtelyliikkeen ja hiukkasen sisäisen liikkeen entropioiksi. Ks. Opetusmoniste 5.8.4. oisin kuin molekyyleissä värähtelyliike ei ole sisäinen energialaji, sillä värähtely liittyy tässä kiteen mikroskooppisen osan liikkeeseen kokonaisuutena. Kokonaisentropia saadaan yhtälöstä U Z S = kln k + + (5) Sijoittamalla tähän U U U U = vib + int + ja vib int Z = Z Z Z, missä vib ja int ja viittaavat värähtelyyn, sisäisiin sähköisiin energiamuotoihin ja magneettiseen vuorovaikutukseen ulkoisen kentän kanssa vastaavasti. Sijoittamalla partitiofunktio yhtälöön (5) huomaamme, että myös entropia jakautuu kolmeen osaan partitiofunktio on verrannollinen ainemäärään. ärähtelyn entropia on vib S = S + S + S. Ainoastaan värähtelyn int Uvib Zvib Svib = kln k + +. (6) ätä olemme käsitelleet edellä esimerkissä. Magneettinen vuorovaikutus on sisäinen liikelaji, joten siihen liittyvä entropia lasketaan yhtälöstä U S = + kln Z. (7) Sijoittamalla saadaan entropiaksi ε S = tanh ( ε / k) + kln ( cosh ( ε / k) ). (8) ilojen miehitysluvuiksi saamme = e = e Z cosh / ja + ε / k ε / k ( ε k) = e e Z cosh / ε / k ε / k ( ε k). (9). välikokeen alue 4. Osoita, että van der Waalsin kaasun entropia moolia kohden voidaan esittää muodossa S = c ln + Rln b + vakio. m m

Ks Opetusmoniste Luku 1: Osoitamme aluksi, että c ei riipu kaasun ominaistilavuudesta. Ensimmäisen pääsäännön perusteella du pd d p ds + ν c d = = + (1) Entropian ristiderivaattojen pitää olla riippumattomia derivointijärjestyksestä, joten νc p c p = = m m () an der Waalsin kaasun tilanyhtälöstä a p + ( ) m b = R m (3) saamme p m =, (4) sillä vakiotilavuudessa van der Waalsin kaasun paine riippuu lämpötilasta lineaarisesti. Yhtälöistä () ja (4) seuraa, että c on riippumaton tilavuudesta. ilanyhtälöstä saamme edelleen p νr =. (5) νb' Sijoittamalla yhtälö (5) yhtälöön (1) huomaamme, että entropian differentiaali separoituu lämpötilasta ja tilavuudesta riippuviin osiin. Integroimalla yhtälö (3) referenssipisteestä p,, pisteeseen p,, saamme c S S = ν d + R ν. (6) ( b ) d m integroimalla ja sijoittamalla referenssipisteeseen liittyvät vakiotermit yhteen saadaan S = c ln + Rln b + vakio. (7) m m Yhtälössä (7) esiintyvä vakio S c ln Rln ( b ) =. Kokonaisentropia saadaan kertomalla yhtälö m m (7) moolimäärällä. Huomattakoon, että myös entropian lausekkeessa (7) esiintyvä vakio tulee tällöin verrannolliseksi moolimäärään, muuten entropian ekstensiivisyysvaatimus ei toteudu. 5. Kappale (1), jossa on ν 1 moolia ainetta lämpötilassa 1 saatetaan kontaktiin kappaleen () kanssa, jossa on ν moolia ainetta lämpötilassa. asapainon muodostuminen tapahtuu vakiopaineessa lämpökapasiteettien ollessa cp1 ja c p vastaavasti. Laske (a) tasapainolämpötila, (b) entropian muutos ja (c) osoita, että entropian muutos on positiivinen.

a) Kaksiosainen systeemi on lämpöeristetty muusta ympäristöstä ja prosessiin ei liity työtä. oisen kappaleen luovuttama lämpö = toisen saama lämpö: ν1cp1( 1) = νcp( ) νcp11 + νcp =. ν c + ν c 1 p1 p Koska tasapainon muodostuminen on kvasistaattinen prosessi, saadaan entropian muutokset yhtälöstä δq δq d ds = δq = νc d S = = νc ; p p 1 1 (1) () b) Lasketaan entropian muutokset erikseen molemmille kappaleille (käytetään lyhyyden vuoksi kokonaislämpökapasiteetteja C1 = ν1cp1; C = ν cp ). 1 d S = C = C ln 1 1 1 1 d S = C = C ln Entropian kokonaismuutos on siis (3) C1 C 1 S = S + S = C1ln + Cln = ln. 1 1 c) Osoitetaan lopuksi, että S >. Oletetaan 1 < < ja merkitään x= / 1 > 1. Lisätään ja vähennetään termi C ln 1 S = C ln + C ln + C ln C ln. 1 1 1 1 Ryhmittelemällä 1 S = ( C1+ C)ln + Cln (4) 1 Yhtälöstä (1) saadaan 1 C1 C1 C C1 C1 C + + x x = = 1 1 C C sijoittamalla yhtälöön (4) saadaan C1 C1 C S + C1+ C ln x ln x x S =. Jotta > vaaditaan, C C C C C1+ C C 1 1 C C + C C 1 C C1 että x x x + > = x. (5) C C C

a Koska x> 1, a> 1 pätee x > 1 + a( x 1) (aylorin sarja potenssifunktiolle - tämä yhtälö kertoo sen, että a funktion x kuvaaja on aina sille pisteeseen x = 1 piirretyn tangentin yläpuolella). Joten C + C 1 C C + C C + C C C C C + C C x > 1 + ( x 1) = x + = x C C C C C S siis > ja S >. C 1 1 1 1 1, 6. ermodynamiikan toinen pääsääntö voidaan esittää mm. seuraavissa vaihtoehtoisissa muodoissa: Lämpöä ei siirry ilman ulkoista apua kylmemmästä kappaleesta lämpimämpään kappaleeseen (Clausius), tai Ei voida rakentaa termodynaamista konetta, jossa yhdestä lämpövarastosta otettu lämpö tekisi, ilman ulkoista apua, mekaanista työtä (Kelvin ja Planck). Osoita, että (1) jos Clausiuksen väittämä on epätosi, niin sitä on myös Kelvinin ja Planckin väittämä ja vastaavasti () jos Kelvinin ja Planckin väittämä on epätosi, niin silloin on myös Clausiuksen väittämä epätosi. (ästä seuraa, että jos toinen väittämistä on tosi, niin molemmat ovat tosia.) Clausius (C) epätosi Kelvin-Planck (K) epätosi. Määrittelemme termodynaamisen koneen A, joka toteuttaa kiertoprosessia, jolla on seuraavat ominaisuudet: a) kone absorboi lämpöä määrän Q > lämpövarastosta. b) kone luovuttaa lämpömäärän Q 1 > lämpövarastoon 1 ( 1 < ). c) kone tekee työtä määrän W >. Oletetaan, että C on epätosi. oimme siis ottaa lämpömäärän Q lämpövarastosta 1 ja siirtää sen lämpövarastoon > 1 ilman ulkopuolista apua. Käytetään seuraavaksi konetta A lämpövarastojen ja 1 välissä siten että lämpövarastosta otettu lämpömäärä on juuri Q. Koska kone tekee työtä määrän W >, lämpövarastoon 1 luovutettu lämpömäärä < Q1 < Q. Olemme siis ottaneet lämpövarastosta 1 lämpöä määrän Q Q1 ja muuttaneet sen mekaaniseksi työksi ilman muita seurauksia, joten K on epätosi. Kelvin-Planck epätosi Clausius epätosi. Oletetaan, että K on epätosi. ällöin voimme ottaa varastosta 1 lämpöä ja muuttaa sen kokonaisuudessaan työksi. äin saatu mekaaninen työ voidaan aina siirtää lämmöksi lämpövarastoon ( > 1 ). Mekaanisella energialla voidaan esimerkiksi pyörittää generaattoria, jonka tuottama sähköenergia muutetaan lämmöksi. Olemme siis siirtäneet alemmasta lämpövarastosta lämpöä ylempään lämpövarastoon ilman ulkoista apua, joten C on epätosi. AKIOIA 31 7 7 7 e = p = n = = m 9,191 1 kg m 1, 675 1 kg m 1, 6748 1 kg amu 1, 665 1 kg 19 8 34 4 1 e= 1, 61 1 C c =, 9979 1 m/s ħ = 1, 545 1 Js µ = 9, 73 1 J 1-1 - 6 = 8,8544 1 C m Ke = 1/ 4 = 1, 566 1 mkgc Km = / 4 11 3 1-1 -1-3 1 γ = 6, 67 1 m kg A = 6, 5 1 mol R = 8, 3143 JK mol k=1,385 1 JK ε πε µ µ π