opracowania do egz

background image

Fizyka Statystyczna i Termodynamika

Opracowanie zagadnie´n do egzaminu

Kamil M˛etrak

kamet@if.pw.edu.pl

Brakuje punktów 28, 29, 31, 32, 33, 34

29-31.01.2004

background image

2

1. A♣ Zasady termodynamiki
2. 2♣ Transformacja Legendrea w termodynamice
3. 3♣ Relacja Gibbsa - Duhlema
4. 4♣ Zasada pracy maksymalnej
5. 5♣ Stabilno´s´c układów termodynamicznych, równowaga termodynamiczna
6. 6♣ Entropia dla gazu doskonałego
7. 7♣ Potencjał chemiczny dla gazu doskonałego
8. 8♣ Reguła faz Gibbsa
9. 9♣ Termodynamika reakcji chemicznych, gaz doskonały

10. 10♣ Równanie Clausiussa - Clapeyrona
11. A♦ Rozkład mikrokanoniczny
12. 2♦ Rozkład kanoniczny, wyprowadzenie, własno´sci, fluktuacje
13. 3♦ Wielki rozkład kanoniczny, wyprowadzenie, własno´sci, fluktuacje
14. 4♦ Rozkład Maxwella Boltzmana
15. 5♦ G˛esto´s´c stanów
16. 6♦ Rozkład Fermiego - Diraca
17. 7♦ Rozkład Bosego Einsteina
18. 8♦ Gaz elektronowy, potencjał chemiczny, energia wewn˛etrzna, ciepło wła´sciwe
19. 9♦ Gaz bozonowy, potencjał chemiczny, energia wewn˛etrzna, ciepło wła´sciwe
20. 10♦ Kondensacja Bosego - Einsteina
21. A♥ Model Isinga, przykłady zastosowa´n
22. 2♥ Rozszerzenia modelu Isinga
23. 3♥ Model Isinga w jednym wymiarze
24. 4♥ Funkcje korelacji ła´ncucha Isinga
25. 5♥ Podatno´s´c ła´ncucha Isinga
26. 6♥ Teoria pola ´sredniego (molekularnego), temperatura krytyczna, wykładniki krytyczne
27. 7♥ Hipoteza uniwersalno´sci zjawisk krytycznych
28. 8♥ Teoria Landaua przej´s´c fazowych, wykładniki krytyczne
29. 9♥ Teoria chaosu deterministycznego, mapa logistyczna
30. 10♥ Hipoteza skalowania
31. J♥ Grupa renormalizacji na przykładzie modelu Isinga i modelu perkolacji
32. Q♥ Równanie transportu Boltzmana
33. K♥ Równania dyfuzji
34. JOKER Przewodnictwo elektryczne

background image

3

1. Zasady termodynamiki.

Zerowa zasada termodynamiki Dla ka˙zdego równowagowego układu termodynamicznego istnieje intensywna,

skalarna wielko´s´c, która jest funkcj ˛a stanu, zwana temperatur ˛a, taka, ˙ze układy znajduj ˛a si˛e we wzajemnej

równowadze termodynamicznej je´sli ich stany opisywane s ˛a przez tak ˛a sam ˛a temperatur˛e. Zasada ma charak-

ter przechodni.

A

= θ

B

)

∧ (θ

B

= θ

C

)

⇒ (θ

A

= θ

C

)

Pierwsza zasada termodynamiki Dla ka˙zdego układu termodynamicznego istnieje wielko´s´c zwana energi ˛a

wewn˛etrzn ˛a, która jest a) funkcj ˛a stanu ukladu, b) sum ˛a wszystkich energii elementów układu. W układach izo-

lowanych energia wewn˛etrzna nie zmienia si˛e w czasie (zasada zachowania energii wewn˛etrznej).

Druga zasada termodynamiki Istnieje intensywana zmienna T zwana temperatur ˛a bezwzgl˛edn ˛a oraz eksten-

sywna zmienna S zwana entropi ˛a, taka, ˙ze dla układu jednorodnego w stanie równowagi mamy dQ = T dS.

Entropia układu izolowanego nigdy nie maleje i w stanie równowagi osi ˛aga maksimum, którego warto´s´c wynika

z warunków narzuconych na układ z zewn ˛atrz. Taka definicja entropii pracuje tylko dla procesów odwracalnych.

Trzecia zasada termodynamiki Dla dowolnego ukłau termodynamicznego lim

T

→0

S = 0

2. Transformacja Legendre’a w termodynamice. Potencjały trmodynamiczne.

U = U (S, V, N )

- naturalne zmienne energii wewn˛etrznej

T =

∂U (S,V,N )

∂S

p =

∂U (S,V,N )

∂S

µ =

∂U (S,V,N )

∂S

Jednak znaj ˛ac U = U(T, V, N) nie mog˛e znale´z´c entropii S.

F = F (T, V, N ) = U

∂U

∂S

S = U

− T S - energia swobodna Helmholtza

H = H(S, p, N ) = U

∂U
∂V

V = U + pV

- entalpia

G = G(T, p, N ) = U

∂U
∂V

V

∂U

∂S

S = U + pV

− T S - potencjał termodynamiczny Gibbsa

3. Relacja Gibbsa-Duhlema.

dU = T dS

− pdV + µdN

dS =

dU + pdV

− µdN

T

S(λU, λV, λN ) = λS(U, V, N )

Ró˙zniczkujemy obie strony po λ i wstawiamy λ = 1:



∂S

∂U



V,N

· U +



∂S

∂V



U,N

· V +



∂S

∂N



U,V

· N = S(U, V, N)

1

T

· U +

p

T

· V −

µ

T

· N = S

U + pV

− T S = µN

ale

U + pV

− T S = G

st ˛ad

G = µN

background image

4

4. Zasada pracy maksymalnej.

Układy Z i R

p

maj ˛a stał ˛a entropi˛e, bo nie ma przepływu ciepła.

∆E + ∆E

R

T

+ ∆E

R

p

+ ∆E

Z

= 0

zasada zachowania energii

∆E + ¯

T ∆ ¯

S

− ¯

p∆ ¯

V + W = 0

gdzie ∆E jest energi ˛a wewn˛etrzn ˛a systemu Σ, za´s W - prac ˛a nieobj˛eto´sciow ˛a wykonan ˛a przez system Σ nad

systemem Z. Ale

∆S + ∆ ¯

S

≥ 0 równe dla procesu odwracalnego

oraz

∆V =

−∆ ¯

V

wi˛ec

∆E

− ¯

T ∆S + ¯

pV + W

≤ 0

∆(E

− ¯

T S + ¯

pV ) + W

≤ 0

−∆(E − ¯

T S + ¯

pV )

≥ W

Praca wykonywana przez układ Σ jest mniejsza lub równa zmianie tej wielko´sci ( )

5. Stabilno´s´c układów termodynamicznych, równowaga termodynamiczna.

a) 2 układy w stanie równowagi w kontakcie cieplnym

S

= S

1

+ S

2

dS

= dS

1

+ dS

2

oraz

T

1

dS

1

= δQ

1

T

2

dS

2

= δQ

2

przy czym

δQ = δQ

1

=

−δQ

2

dS

= δQ



1

T

1

1

T

2



dS

=

∂E

1

S

1

dE

1

+

1
2

2

∂E

1

2

S

1

(dE

1

)

2

+ . . . +

∂E

2

S

2

dE

2

+

1
2

2

∂E

2

2

S

1

(dE

2

)

2

+ . . . =

=



∂E

1

S

1

=

1

T

1



=

1

T

1

dE

1

+

1

T

2

dE

2

+

1
2

∂E

1

1

T

1

dE

1

+

1
2

∂E

2

1

T

2

dE

2

=

=

{dE

1

+ dE

2

= 0

}

=

1
2



2

∂E

1

2

S

1

+

2

∂E

2

2

S

2



(dE)

2

≤ 0

Fluktuacje stanu równowagi mog ˛a tylko zminiejszy´c entropi˛e.

2

∂E

2

S

≤ 0

∂E



1

T



≤ 0

1

T

2

∂E

T

≤ 0



∂E

T



N,V

≥ 0

background image

5

Energia wewn˛etrzna wyra˙zona jako funkcja zmiennych eksttensywnych (bez entropii) i temperatury jest niemale-

j ˛ac ˛a funkcj ˛a temperatury.

b) 2 układy wymieniaj ˛ace energi˛e i mas˛e

dE

= dE

1

+ dE

2

=

=

∂S

1

E

1

dS

1

+

1
2

2

∂S

1

2

E

1

(dS

1

)

2

+ . . . +

∂S

2

E

2

dS

2

+

1
2

2

∂S

2

2

E

1

(dS

2

)

2

+ . . . +

+

∂N

1

E

1

dN

1

+

1
2

2

∂N

1

2

E

1

(dN

1

)

2

+ . . . +

∂N

2

E

2

dN

2

+

1
2

2

∂N

2

2

E

1

(dN

2

)

2

+ . . . =

=



dS

1

=

−dS

2

dN

1

=

−dN

2



=

= (T

1

− T

2

)dS

1

+

1
2



2

∂S

1

2

E

1

+

2

∂S

2

2

E

2



(dS

1

)

2

+

+(µ

1

− µ

2

)dN

1

+

1
2



2

∂N

1

2

E

1

+

2

∂N

2

2

E

2



(dN

1

)

2

≥ 0

2

∂S

2

E

≥ 0

2

∂N

2

E

≥ 0

∂N

µ

≥ 0

c) 2 układy wymieniaj ˛ace energi˛e i obj˛eto´s´c



T

1

dS

1

= dE

1

+ δW

1

T

2

dS

2

= dE

2

+ δW

2

0 = dS

= dS

1

+ dS

2

=

1

T

1

(dE

1

+ δW

1

) +

1

T

2

(dE

2

+ δW

2

) =

=

1

T

1

(dE

1

+ p

1

dV

1

) +

1

T

2

(dE

2

+ p

2

dV

2

) =

=



dE

1

+ dE

2

= 0

dV

1

+ dV

2

= 0



=

=



1

T

1

1

T

2



dE

1

+



p

1

T

1

p

2

T

2



dV

1

Z tego wynika, ˙ze T

1

= T

2

i p

1

= p

2

background image

6

Warunkiem stabilno´sci jest maksymalizacja entropii

0

≥ dS = dS

1

+ dS

2

=



1

T

1

1

T

2



dE

1

+



p

1

T

1

p

2

T

2



dV

1

+

+

1
2



2

∂E

1

2

S

1



(dE

1

)

2

+



2

∂E

1

∂V

1

S

1



dE

1

dV

1

+

1
2



2

∂V

1

2

S

1



(dV

1

)

2

+

+

1
2



2

∂E

2

2

S

2



(dE

2

)

2

+



2

∂E

2

∂V

2

S

2



dE

2

dV

2

+

1
2



2

∂V

2

2

S

2



(dV

2

)

2

st ˛ad



2

∂E

2

S



(dE)

2

+ 2



2

∂E∂V

S



dEdV +



2

∂V

2

S



(dV )

2

≤ 0

War. stabilno´sci:



2

∂S

2

E



V

≤ 0



2

∂V

2

E



S

≤ 0



2

∂S∂V

E





2

∂S

2

E



V

·



2

∂V

2

E



S

≤ 0

I) Z minimalizacji entalpii

H = U + pV

= H(S, p)

dH

= T dS

− pdV + V dp = dH

1

+ dH

2

dS

= 0 = dS

1

+ dS

2

Analiza stabilno´sci

dH

= T dS + V dp +

1
2



2

∂S

2

H



(dS)

2

+

1
2



2

∂p

2

H



(dp)

2

+



2

H

∂p∂S



dpdS

dH

1

+ dH

2

= (T

1

− T

2

)dS

1

+

1
2



2

∂S

1

2

H

1

+

2

∂S

2

2

H

2



(dS

1

)

2

Dla H = min. T

1

= T

2

oraz



2

∂S

2

H

≥ 0

C

p

=

∂T

Q

≥ 0

II) Z minimalizacji energii swobodnej

dF

= dF

1

+ dF

2

= 0

dF

= d(U

− T S) = T dS − pdV − T dS − SdT

dF

1

=

−p

1

dV

1

− S

1

dT

1

0 = dF

1

+ dF

2

= (

−p

1

+ p

2

)dV

1

⇒ p

1

= p

2

Analiza stabilno´sci

dF

1

=



∂V

1

F

1



(dV

1

) +



∂T

1

F

1



(dT

1

) +

1
2



2

∂V

1

2

F

1



(dV

1

)

2

+

1
2



2

∂T

1

2

F

1



(dT

1

)

2

⇒ dF =

1
2



2

∂V

1

2

F

1

+

2

∂V

2

2

F

2



(dV

1

)

2

2

∂V

2

F

≥ 0

∂V

p

≥ 0

κ =

1

V

∂p

V

≥ 0

background image

7

III) Z minimalizacji potencjału Gibbsa

dG

= dU + d(pV )

− d(T S) =

= T dS

− pdV +

β

X

i=1

P

X

α=1

µ

α

i

dN

β

i

+ d(pV )

− d(T S) =

=

−SdT + V dp +

β

X

i=1

P

X

α=1

µ

α

i

dN

β

i

W najprostszym przypadku, gdy β = P = 1

dG =

−SdT + V dp + µdN

Analiza równowagi:

µ = const.

Analiza stabilno´sci:

∂n

µ

≥ 0

w ogólnym przypadku mamy warunek równowagi:

β

X

i=1

P

X

α=1

µ

α

i

dN

β

i

= 0

"

∂N

β

I

µ

β
I

#

Jest to "nieujemna" macierz β · P × β · P .

6. Entropia gazu doskonałego.

dS =?

dU = dQ

− pdV , dQ = T dS

dS =

dU + pdV

T

=

wstawiamy dU = c

v

dT

= nc

v

dT

T

+ nR

dV

V

S =

Z

dS = nc

v

ln T + nR ln V + c(n) =

gdzie c(n) = −nR ln n + nσ Zatem

S = n



c

v

ln T + R ln(

V

n

) + σ



background image

8

7. Potencjał chemiczny gazu doskonałego.

µ =? dF =

−SdT − pdV + µdN

 ∂F

∂N



T,V

= µ

F = U

− T S − c

1

v

N T

− T N



c

1

v

ln T + k

B

ln

V

n



− T Nσ

0

F = F (T, V, N )

µ = c

1

v

T

− T c

1

v

ln T + k

B

ln

V

N



− T σ

0

+ k

B

T

c =

N

V

- koncentracja

µ(T ) = µ

0

(T ) + tk

B

ln c

µ

0

(T ) = c

1

v

T

− T c

1

v

ln T + T k

B

− T σ

0

8. Reguła faz Gibbsa.

P

- ilo´s´c faz, B - liczba rodzajów cz ˛astek.

µ

1

1

=

µ

2

1

=

. . .

= µ

P

1

µ

1

2

=

µ

2

2

=

. . .

= µ

P

2

...

...

...

...

µ

1

B

= µ

2

B

= . . . = µ

P

B

µ

α

i

zale˙z ˛a od p i T , ale równie˙z od wzgl˛ednych koncentracji w danej fazie:

N

α

i

P

B
j=i

N

α

i

= c

i

· α

i

,

B

X

i=1

c

α

i

= 1

Niezale˙znych koncentracji jest zatem P · (B − 1), wi˛ec ogólnie mamy P · (B − 1) + 2 zmiennych (bo dodatkowo
p

i V ) oraz B · (P − 1) wi˛ezów z warunków równowagi. Liczba stopni swobody (wielko´sci, które moga byc

zmieniane) wynosi:

f = P

· (B − 1) + 2 − B · (P − 1) = 2 + B − P

9. Termodynamika reakcji chemicznych, gaz doskonały.

Ka˙zd ˛a reakcj˛e chemiczn ˛a mo˙zna zapisa´c w postaci

X

j

ν

j

A

j

A

j

- symbol reagenta

ν

j

- liczba wyst˛epuj ˛aca w równaniu reakcji

L

- stała postepu reakcji

N

j

= ν

j

· L

L

okre´sla liczb˛e elementarnych procesów reakcji N

j

- liczba cz ˛astek okre´slonego typu(j), które wzieły udział w

reakcji

Równowaga systemu chemicznego ma miejsce gdy reakcja nie zachodzi lub ilo´s´c reakcji w jedn ˛a stron˛e jest

równa liczbie reakcji w drug ˛a stron˛e.

G = µN

- dla jednaj cz ˛astki

G =

X

j

µ

j

N

j

- dla j rodzajów cz ˛astek

G = G(p, T, N

1

, N

2

, . . .)

background image

9

Równowaga ma miejsce gdy dG = 0

0 = dG =

X

j

µ

j

N

j

=

X

j

µ

j

ν

j

dL

X

j

µ

j

ν

j

= 0

Warunek równowagi reakcji chemicznej.

10. Równanie Clausiusa - Clapeyrona.

µ

(1)
I

= µ

(1)
II

µ

(2)
I

= µ

(2)
II

I

= dµ

II

(wzdłu˙z linii przej´scia fazowego - l.p.f.)

µ =

G

N

dG =

−S · dT + V · dp

dµ =

−S · dT + V · dp

N

=

−s · dT + C · dp

gdzie s =

S

N

oznacza entropi˛e na 1 cz ˛asteczk˛e, natomiast v =

V

N

.

−s

I

· dT + v

I

· dp = −s

II

· dT + v

II

· dp

dT i dp - zmiana wzdłu˙z linii przej´scia fazowego.

(s

II

− s

I

)

· dT = (v

II

− vI) · dp

∆s

II

−I

= ∆v

II

−I

·

dp

dT



l.p.f.

dQ = T

· dS

∂Q

∂T



x

= T

·

∂S
∂T



x

= c

x

c

przem.faz.

= ∆Q = T

· ∆s

II

−I

11. Rozkład mikrokanoniczny.

Okre´sla prawdopodobi´nstwo mikrostanu układu, gdy układ jest izolowany (brak wymiany masy i energii z

otoczeniem).

P (Ω) =



1

∆Γ

dla stanów dozwolonych

0

dla stanów niedozwolonych

S = k

B

ln(∆Γ)

∆Γ = e

S

kB

background image

10

12. Rozkład kanoniczny, wyprowadzenie, własno´sci, fluktuacje.

Rozkład kanoniczny okre´sla prawdopodobie´nstwo mikrostanu układu, gdy układ jest w kontakcie cieplnym z

otoczeniem (wymiane energii), ale nie mo˙ze wymienia´c masy (N = const.) - układ zamkni˛ety.

’Cało´s´c’ jako układ i otoczenie jest opisana rozkładem mikrokanonicznym.

P (Ω

t

) = P (Ω, Ω

0

) =

1

∆Γ

P (Ω) =?

P (Ω)

= P (Ω, Ω

0

)

· ∆Γ

0

(E

0

) =

=

1

∆Γ

t

· ∆Γ

0

(E

t

− E) =

1

∆Γ

t

e

S0(Et−E)

kB

=

{E + E

0

= E

t

}

=



E

 E

t

=



S

0

(E

t

− E) = S

0

(E

t

) +



∂S

0

∂E



N

(

−E) + . . .



=

 1

T

0

=

1

T

=

=

1

∆Γ

t

exp(

S

0

(E

t

)

E
T

+ . . .)

k

B

1

∆Γ

t

· e

S0(Et)

kB

· e

E

kB T

=

=

1

Z

· e

−β·E



β =

1

k

B

T



gdzie Z =

Z

e

−β·E

dΩ

- suma statystyczna lub suma stanów

Z

ma własno´sci funkcji tworz ˛acej:

U =

hEi =

Z

EP (Ω, E)dΩ =

1

Z

Z

e

−βE

EdΩ =

1

Z

∂(

−β)

Z =

∂β

ln Z

F = U

− T S

S =

hS(Ω)i = h−k

B

ln P

i = −k

B

Z

ln(P )

· P · dΩ Entropia w rozkładzie kanonicznym

F

= U

− T S = U + T k

B

Z

P

· ln P · dΩ =

= U + T k

B

1

Z

Z

e

−βE

[

−lnZ − βE] dΩ =

= U

− T k

B

ln Z

Z

Z

e

−βE

dΩ

− T k

B

β

Z

e

−βE

1

Z

EdΩ =

= U

− T k

B

lnZ

− U =

ln Z

β

F β

=

− ln Z

e

−βF

= Z

Fluktuacje energii w rozkładzie kanonicznym

σ

2

=

h(E − U)

2

i = hE

2

i − hEi

2

=

=

1

Z

Z

e

−βE

E

2

dΩ

− (

1

Z

Z

e

−βE

EdΩ)

2

=

=

1

Z

Z

00

Z

0

Z



=

ZZ

00

− (Z

0

)

2

Z

2

=

Z

0

Z



0

= (ln Z)

00

=

∂β

U =

=

∂U

∂T

 ∂T

∂β

=

−c

V

−1

1

k

B

T

2

= c

V

k

B

T

2

background image

11

σ

2

= c

V

k

B

T

2

≈ k

B

T N

σ

U

=

N

N

=

1

N

−→ 0

Multiplikatywno´s´c sumy statystycznej

Z

=

Z

e

−βE

dΩ =



dE = dE

1

+ . . . + dE

N

dΩ = dΩ

1

+ . . . + dΩ

N



=

Z

e

−βE

1

dΩ

1

·

Z

e

−βE

2

dΩ

2

· . . . ·

Z

e

−βE

N

dΩ

N

=

= Z

1

· Z

2

· . . . · Z

N

=

=

{dla N cz ˛astek identycznych} = (Z

1

)

N

13. Wielki rozkład kanoniczny, wyprowadzenie, własno´sci, fluktuacje.

Rokład wielki kanoniczny okre´sla prawdopobie´nstwo mikrostanu układu, gdy układ jest otwarty, czyli mo˙ze

wymienia´c z otoczeniem nie tylko energi˛e, ale i mas˛e (liczb˛e cz ˛astek)

dU = T dS

− pdV + µdN



∂U

∂N



S,V

= µ

P (E, N ) =

1

∆Γ

· ∆Γ

0

∆Γ

0

= e

S0(E0 ,N 0)

kB

S

0

(E

t

− E, N

t

− N) = S

0

(E

t

, N

t

) + (

−E

∂S

0

∂E

0

)(

−N

∂S

0

∂N

0

+ . . . =

= S

0

(E

t

, N

t

) + (

−E

1

T

) + (

−N)(−

µ

T

=

= S

0

(E

t

, N

t

)

1

T

E + N

µ

T

P (E, N ) =

1

∆Γ

t

e

S0(Et,Nt)

kB

· e

E

kB T

· e

N µ

kB T

=

=

1

˙

Z

· e

E

kB T

· e

N µ

kB T

˙

Z

- wielka suma statystyczna.

˙

Z =

X

N =0

Z

e

−βE

e

N µβ

(dΩ

1

· dΩ

2

· . . . · dΩ

N

)

(sumocałka)

hNi =

Z

N P (E, N )dΩ =

1

˙

Z

Z

N e

−βE+βµN

dΩ =

=

1

˙

Z

1

β

∂ ˙

Z

∂µ

=

1

β

∂µ

ln ˙

Z

∂ ˙

Z

∂β

=

˙

Z

P


N =0

R

[

−E + Nµ]e

−βE+Nµβ

(dΩ

1

· dΩ

2

· . . . · dΩ

N

)

˙

Z

=

˙

Z[U +

hNiµ]

background image

12

−U + µhNi =

1

˙

Z

∂ ˙

Z

∂β

=

∂β

ln ˙

Z

U =

∂β

ln ˙

Z + µ

hNi

Fluktuacje w rozkładzie wielkim kanonicznym

σ

2

N

=

h(N − hNi)

2

i = hN

2

i − hNi

2

=

=

1

˙

Z

1

β

2

2

∂β

2

˙

Z



1

˙

Z

1

β

∂µ

˙

Z



2

=

=

1

β

2

˙

Z

2

∂µ

2

˙

Z



∂ ˙

Z

∂µ



2

˙

Z

2

=

∂µ



∂ ˙

Z

∂µ

˙

Z



1

β

2

=

=

1

β

2

∂µ



∂µ

ln ˙

Z



=

1

β

2

β

∂µ

hNi =

= k

B

T

hNi

∂µ

σ

N

U

=

N

N

=

1

N

−→ 0

S

=

−k

B

hln P i = −k

B

X

N =0

Z

1

˙

Z

e

−βE+Nβµ

{− ln ˙

Z + [

−βE + Nβµ]}dΩ

1

· dΩ

2

· . . . · dΩ

N

=

=

−k

B

{ln ˙

Z + (

−β)U + βUhNi}

F

= U

− T S = U + T k

B

{− ln ˙

Z

− βU + βUhNi} =

=

−T k

B

ln ˙

Z + µ

hNi

F

− µhNi = −T k

B

ln ˙

Z

F

− G = −T k

B

ln ˙

Z = Φ =

−pV

F

− G

−T k

B

= ln ˙

Z

˙

Z

= e

G

−F

T kB

Multiplikatywno´s´c wielkiej sumy statystycznej

E

= E

A

· E

B

˙

Z

=

X

N =0

Z

e

−β(E−µN)

dΩ

1

· . . . · dΩ

N

˙

Z

=

˙

Z

A

· ˙

Z

B

Je´sli E = E

1

+ E

2

+ . . . + E

N

hE

1

i = hE

2

i = . . . = hE

N

i

˙

Z =

X

N =0

Z

e

−β(NE

1

−µN)

dΩ

1

· . . . · dΩ

N

background image

13

14. Rozkład Maxwella Boltzmanna.

Stosuj ˛ac rozkład kanoniczny dla 1 cz ˛astki otrzymujemy:

dN

N

= const.e

−βε(rrr,vvv)

drrrdvvv

gdzie ε oznacza energi˛e jednej cz ˛astki, znajduj ˛acej si˛e w pewnym otoczeniu punktu rrr i maj ˛ac ˛a pr˛edko´s´c zblizon ˛a

do vvv. Stał ˛a const. mo˙zna wyliczy´c z warunku unormowania prawdopodobie´nstwa.

Najcz˛e´sciej ε separuje si˛e na sum˛e energii potencjalnej i kinetycznej:

ε(rrr, vvv) = φ(rrr) +

mv

2

2

Rozkład Maxwella otrzymuje sie z rozkładu Boltzmanna przez wysumowanie po poło˙zeniach. Wówczas nie-

zale˙znie od φ(rrr) otrzymuje sie:

dN

N

= const.e

βmv2

2

dvvv

Je´sli interesuje nas wył ˛acznie warto´s´c pr˛edko´sci to nale˙zy to wyra˙zenie wysumowa´c po kierunkach wektoravvv.

w tym celu element obj˛eto´sci wyra˙zamy za pomoc ˛a współrz˛ednych sferycznych wg wzoru: dvvv = v

2

dv sin θdθdφ

i otzrymujemy:

dN

N

= const.e

βmv2

2

v

2

dv

Stała const. wynosi:



m

2πk

B

T



3
2

Ostatecznie rozkład Maxwella dla modułu pr˛edko´sci wyra˙zony jest wzrem:

dN (v) = 4πN



m

2πk

B

T



3
2

e

mv2

2kB T

v

2

dv

Rozkład Boltzmanna musi byc uzyty wtedy, gdy rozpatrywane zjawiska zwi ˛azane s ˛a z energi ˛a potencjaln ˛a,

gdyz w takich przypadkach nieistotna jest energia kinetyczna.

15. G˛esto´s´c stanów.

Funkcja g˛esto´sci stanów g(ε) okre´sla liczb˛e mo˙zliwych realizacji jednej warto´sci energii. Je´sli ε przybiera

ci ˛agły zbiór warto´sci, to g(ε) ma znaczenie ilo´sci stanów w pewnym otoczeniu energii ε. W przypadku dyskret-

nego zbioru warto´sci ε, g(ε) podaje liczb˛e stanów o tej energii.

Dla gazu elektronowego energia zale˙zy tylko ad warto´sci wektora falowego kkk : ε = ¯h

2

k

2

/2m

. Przedziałowi

energii (ε, ε + dε) odpowiada w kuli Fermiego warstwa sferyczna o grubo´sci dk równej

dk =

1

h

2m

ε

Obj˛eto´s´c tej wartwy

dΩ = 4πk

2

dk = 4sqrt2πm

3
2

¯

h

−3

εdε

σkkk =

(2π)

3

V

dΩ

σkkk

=

V

2



2m

¯

h

2



3
2

εdε

background image

14

Liczba stanów jest 2 razy wi˛eksza od liczby wektorów falowych ze wzgl˛edu na spin:

g(ε)dε =

V

2



2m

¯

h

2



3
2

εdε = A

εdε

Dla gazu bozonowego funkcja g˛esto´sci stanów jest praktycznie taka sama, z jedn ˛a tylko ró˙znic ˛a. Elektrony

maj ˛a 2 mo˙zliwe warto´sci spinu, natomiast bozony - 2s + 1, z tym ˙ze s = 0, 1, 2

g(ε) = B

ε,

B =

2s + 1

2

A =

2s + 1

π

2

V



2m

¯

h

2



3
2

Dla gazu fotonowego przyjmuje si˛e zwykle jako argument nie energi˛e cz ˛astki ε, ale cz˛esto´s´c draga´n ω.

σkkk =

4πω

2

ν

3

Na jeden wektor falowy, zgodnie z warunkami Borna-Karmana, przypada obj˛eto´s´c równa

(2π)

3

V

. Fala o

ustalonym wektorze falowym mo˙ze mie´c s polaryzacji. Zatem fnkcja g˛esto´sci stanów przybiera posta´c

g(ω)dω =

sV

2

ν

3

ω

2

16. Rozkład Fermiego - Diraca.

Przedstawia on ´sredni ˛a liczb˛e elektronów w poszczególnych stanach kwantowych α.

Punktem wyj´scia do wyprowadzenia tego rozkładu jest wzór na ´sredni ˛a liczb˛e cz ˛astek w rozkładzie wielkim

kanonicznym.

hNi =

X

α

hN

α

i

hN

α

i =

1

β

2

∂µ

2

ln ˙

Z

˙

Z

α

= 1 + e

−β(ε

α

−µ)

hN

α

i =

1

e

εα−µ

kB T

+ 1

Dla warunków klasycznych, przy du˙zych temperaturach, mo˙zna zaniedba´c jedynk˛e w mianowniku rokładu

Fermiego - Diraca i wtedy rozkład ten przechodzi w rozklad Boltzmanna

17. Rozkład Bosego - Einsteina.

Dla tego rozkładu punktem wyj´scia rózwnie˙z jest rozkład wielki kanoniczny. Jednak w przypadku bozonów

nie ma czegos takiego jak zakaz Pauliego, zatem suma po liczbie cz ˛astek jest nieograniczona.

˙

Z

α

=

X

n=0

e

n(ε

−µ)

kB T

hN

α

i = k

B

T

∂µ

ln ˙

Z =

1

e

ε

−µ

kB T

− 1

Rozkład Bosego - Einsteina ró˙zni sie od Fermiego - Diraca tylko znakiem przy jedno´sci w mianowniku.

background image

15

18. Gaz elektronowy, potencjał chemiczny, energia wewn˛etrzna, ciepło wła´sciwe.

Potencjał chemiczny

N

=

Z

µ

0

g(ε)dε = A

Z

µ

0

εdε =

2
3

3
2

µ

0

=

¯

h

2

2m

(3π

2

c)

2
2

c =

N

V

Energia wewn˛etrzna

U

0

=

Z

µ

0

0

εg(ε)dε =

2
3

A(µ

0

)

5
2

=

=

3
5

µ

0

N

W temperaturze T = 0 energia wewn˛etrzna pokrywa si˛e z energi ˛a swobodn ˛a F. Zatem

p =

∂V

F =

2
3

U

0

V

Równanie stanu

pV =

2
5

N µ

0

=

2
5



2

V



1
3

N

4
3

Dla temperatur T > 0:

Potencjał chemiczny

N

=

Z

0

g(ε)f (ε)dε =

= A

Z

0

εf (ε)dε

Tej całki nie da si˛e ´sci´sle obliczy´c, ale mo˙zna skorzystka´c z metody przybli˙zonej. Zatem niech I

p

oznacza całk˛e

I

p

=

Z

0

ε

p

f (ε)dε

Po wykonaniu całkowania prze cz˛e´sci otrzymujemy

I

p

=

−1

p + 1

Z

0

ε

p+1

∂ε

f (ε)dε

Pozostałe wyrazy znikaj ˛aw zerze i niesko´nczono´sci. Nast˛epnie podstawiamy y =

ε

−µ

k

B

T

, przyjmuj ˛ac, ˙ze k

B

T

 µ,

dzi˛eki czemu mo˙zemy przesun ˛a´c doln ˛a granic˛e całkowania do −∞. Zatem

I

p

=

1

p + 1

Z

+

−∞

(µ + yk

B

T )

p+1

∂y

f dy

gdzie

f (y) =

1

e

y

+ 1

,

∂y

f =

1

(e

−y

+ 1)(e

y

+ 1)

Rozwijamy człon pot˛egowy w szereg Taylora wokół punktu µ wzgl˛edem przyrostu (yk

B

T

) z ograniczeniem do 3

wyrazów

(µ + yk

B

T )

p+1

= µ

p+1

+ (p + 1)µ

p

yk

B

T +

1
2

p(p + 1)µ

p

−1

(yk

B

T )

2

background image

16

Całka z drugiego składnika znika(drugi składnik jest funkcj ˛a nieparzyst ˛a), wi˛ec otrzymujemy, ˙ze

I

p

=

µ

p+1

p + 1

+

π

2

6

p

−1

(k

B

T )

2

Zatem liczba wszystkich elektronów wynosi

N = A(

2
3

µ

3
2

+

π

2

12

µ

1

1
2

(k

B

T )

2

St ˛ad wynika, ˙ze

µ =



2A

3N



2
3

"

1 +

π

2

8



k

B

T

µ

0



2

#

2
3

Drugi wyraz w nawiasie jest normalnie wielko´sci ˛a mał ˛a, wi˛ec mo˙zna przyblizy´c (1 + x)

a

= 1 + ax

, zatem

µ = µ

0

"

1

π

2

12



k

B

T

µ

0



2

#

Energia wewn˛etrzna

U =

hεi =

Z

0

εg(ε)f (ε)dε

Korzystamy tu z poprzednio wyliczonej całki, wstawiaj ˛ac p =

3
2

U =

2
5

5
2

"

1 +

2

8



k

B

T

µ

0



2

#

Wstawiaj ˛ac wcze´sniej obliczone µ i korzystaj ˛ac z poprzednio u˙zytego przybli˙zenia otrzymujemy

U = U

0

"

1 +

2

12



k

B

T

µ

0

#

Ciepło wła´sciwe

c

V

=

∂T

U =

2

6

U

0



k

B

µ

0



2

T

Równanie stanu

pV

= k

B

T ln ˙

Z = k

B

T ln

Y

α

˙

Z = k

B

T

X

α

ln ˙

Z =

= k

B

T

Z

0

ln ˙

Z(ε)g(ε)dε

gdzie

˙

Z(ε) = 1 + e

ε

−µ

kB T

pV

=

−k

B

T

2
3

Z

0

εg(ε)

∂ε

˙

Zdε =

=

2
3

Z

0

εg(ε)f (ε)dε =

=

2
3

U

background image

17

19. Gaz bozonowy, potencjał chemiczny, energia wewn˛etrzna, ciepło wła´sciwe.

Dla bozonów poni˙zej pewnej temperatury krytycznej µ = 0, zatem warunek stało´sci liczby cz ˛astek jest nie-

prawdziwy. Zatem

N

= N

0

+

Z

0

g(ε)f

B

(ε)dε

N

0

= N

− B

1

(k

B

T )

3
2

gdzie

B

1

= Γ(

3
2

)ζ(

3
2

)

2s + 1

π

2

V



2m

¯

h

2



3
2

Energia wewn˛etrzna

U =

Z

0

εg(ε)f

B

(ε)dε = B(k

B

T )

5
2

Z

0

x

5
2

e

x

− 1

dx

Całka ogólnie wynosi

Z

0

x

p

e

x

− 1

dx = Γ(p + 1)ζ(p)

Otrzymujemy

U = B

2

(k

B

T )

5
2

Ciepło wła´scice

c

V

=

∂T

U =

5
2

B

2

k

5
2

B

T

3
2

= const.T

3
2

Dla temperatur T > T

0

N

=

Z

0

g(ε)f

B

− µ)dε =

=

Z

0

g(ε)f

B

(ε)dε +

Z

0

g(ε)[f

B

− µ) − f

B

(ε)]dε

f

B

− µ) − f

B

(ε)

'

1

1 +

ε

−µ

k

B

T

− 1

1

1 +

ε

k

B

T

− 1

=

= k

B

T µ

1

ε(ε

− µ)

N

= B

1

(k

B

T )

3
2

− πBk

B

T

p

|µ|

Zatem

µ =



N

πBk

B

T

0



2

"

T

T

0



2

− 1

#

Energia wewn˛etrzna

U

=

Z

0

εg(ε)f

B

− µ)dε =

=

Z

0

εg(ε)f

B

(ε)dε +

Z

0

εg(ε)[f

B

− µ) − f

B

(ε)]dε

'

' B

2

(k

B

T )

5
2

+

3
2

µB

Z

0

ε

1
2

f

B

(ε)dε =

= B

2

(k

B

T )

5
2

+

3
2

µN

background image

18

Ciepło wła´sciwe

c

V

=

∂T

U =

5
2

B

2

k

B

5
2

T

3
2

+

9
2



N

πBk

B

T

0



2

N

"

T

T

0



3
2

− 1

#

T

1
2

T

3
2

0



20. Kondensacja Bosego - Einsteina.

Dla temperatur T < T

0

potencjał chemiczny µ gazu bozonowego jest równy 0. Wtedy, w miar˛e zblizania si˛e

do temperatury T = 0 liczba cz ˛astek na poziomie podstawowym N

0

zbli˙za si˛e do całkowitej liczby cz ˛astek N.

Zale˙zno´s´c jest okre´slona wzorem

N

0

= N

− B

1

(k

B

T )

3
2

= N

"

1



T

T

0



3
2

#

W miar˛e obni˙zania si˛e temperatury liczba cz ˛astek ulega kondensacji i w temperaturze T = 0 osi ˛aga stan

nasycenia. Wtedy wszystkie cz ˛astki maja energi˛e ε = 0. Zjawisko to le˙zy u podstaw nadciekło´sci, nadprzewod-

nictwa itp.

21. Model Isinga, przykłady zastosowa´n.

Model Isinga jest jednym z modeli układów z oddziaływaniem. Pierwszym zało˙zeniem jest to, aby elementy

stanowi ˛ace układ były jednakowe. Po drugie stan ka˙zdego w˛ezła powinien yc opisany przez zmienn ˛a (np s)

przyjmuj ˛ac ˛a tylko kilka dyskretnych warto´sci. Najcz˛e´sciej s ˛a to 2 warto´sci: s = ±1. Przyjładem takiej warto´sci

mo˙ze by´c spin.

Energia oddziaływania mi˛edzy 2 elementami zapisuje si˛e wzorem

E

nm

=

−J

nm

s

n

s

m

Stała J

mn

mo˙ze byc w najprostszym przydadku okre´slona jako

J

mn

=



J

dla najbli˙zszych s ˛asiadów

0

dla pozostałych

Hamiltonian dla tego modelu ma posta´c

H =

1
2

X

i,j

0

J

ij

s

i

s

j

gdzie

X

i,j

0

jest sum ˛a po najbli˙zszych s ˛asiadach

Dla modelu Isinga z zewn˛etrzym polem hamiltonian ma posta´c

H =

1
2

J

X

i,j

0

s

i

s

j

− B

X

i

s

i

22. Rozszerzenia modelu Isinga.

I) Model gazu sieciowego(model gazu komórkowego) Do siatki wprowadzamy pewn ˛a liczb˛e cz ˛asteczek.

a) Dla gazu nieidealnego (zakładamy przyci ˛aganie si˛e cz ˛astek - b˛ed ˛a si˛e grupowa´c)

Utworzenie ”gron” zale˙zy m.in. od g˛esto´sci atomów, które wspu´scili´smy.

Hamiltonian dla takiego układu

H =

−2

X

i,j

J

ij

e

i

e

j

gdzie e

i

=



1

je´sli w komórce jest atom

0

je´sli brak atomu w komórce

II) Model sieci neuronowej

Neurony mog ˛a byc w dwóch stanach: pobudzonym (1) lub nieaktywnym (−1). Oddziaływanie ma charakter

chemiczny i elektryczny. Sztuczne sieci neuronowe maj ˛a charakter kolektywny.

background image

19

23. Model Isinga w jednym wymiarze

Ła´ncuch Isinga:

. . .

↑ ↓ ↑ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↓ ↑

. . .

E

=

N

−1

X

n=1

J

n

s

n

s

n+1

K

n

J

n

k

B

T

Z

n

=

X

{s

n

}

exp

{K

1

s

1

s

2

+ K

2

s

2

s

3

+ . . . + K

n

−1

s

n

−1

s

n

}

s

1

=

±1

s

2

=

±1

..

.
s

N

=

±1

2

N

wyrazów w tej sumie

Z

N

= 2

N

· cosh K

1

· cosh K

2

· · · · · cosh K

N

Dla N=1 energia jest zerowa, ale suma statystyczna Z = 0 = e

0

+ e

0



Energia wewn˛etrzna

U

=

∂β

ln Z =

∂β

n=N

−1

X

n=1

ln [cosh(J

n

β)] =

=

N

−1

X

n=1

J

n

· tgh(J

N

β)

hEi = −

N

−1

X

n=1

J

n

hs

n

, s

n+1

i

U

=

N

−1

X

n=1

J

n

· tgh(J

n

β)

Zatem: hs

n

, s

n

+ 1

i = tgh



J

n

k

B

T



24. Funkcje korelacji ła´ncucha Isinga

Γ

n

- funkcja korelacji

Γ

n

=

hs

i

s

i+n

i − hs

i

ihs

i+n

i

Dla przypadku jednowymiarowego hs

i

ihs

i+n

i = 0, zatem

Γ

n

=

hs

i

s

i+n

i =

1

Z

·

X

{s

j

}

s

i

s

i+n

· e

K

1

s

1

s

2

+k

2

s

2

s

3

+...+K

N

−1

s

N

−1

s

N

s

i

s

i+n

= s

i

· s

i+1

· s

i+1

· s

i+2

· s

i+2

· . . . · s

i+n

bo s

i

· s

i

= 1

s

i

s

i+n

= (s

i

· s

i+1

)

· (s

i+1

· s

i+2

)

· . . . · (s

i+n

−1

· s

i+n

)

·

Ostatecznie

Γ

n

=



tgh



J

k

B

T



n

−1

Funkcja korelacji zanika dla du˙zych odległo´sci mi˛edzy spinami.

background image

20

25. Podatno´s´c ła´ncucha Isinga

Trudno znale´z´c ´sredni ˛a magnetyzacj˛e pojedy´nczego spisu. Łatwiej jest znale´z´c podatno´s´c χ =

∂F

hs

i

i w

granicy F=0. hs

i

i jest ´sredni ˛a nie z konkretnego w˛ezła, ale ze wszystkich.

χ = γ

· β · N ·

1 +

tgh

J

k

B

T

1

− tgh

J

k

B

T

=

γN

k

B

T

· e

2J

kB T

gdzie

γ = µ

B

· µ

0

· g

26. Teoria pola ´sredniego(molekularnego), temperatura krytyczna, wykładniki krytyczne

Teoria pola ´sredniego pozwala na przybli˙zone oszacowanie własno´sci termodynamicznych układów. Metoda

mo˙ze by´c zastosowana w dowolnym wymiarze, ale dla niskich wymiarów (d = 1) daje wyniki złe, a dla wy˙zszych

(d > 1) przyblizone.

Istot ˛atej metody jest zastapienie prawdziwych oddziaływa´n mi˛edzycz ˛asteczkowych pewnym polem zewn˛etrznym

i tym samym zredukowanie problemu wielocz ˛astkowego do jednocz ˛astkowego (ka˙zda cz ˛astka porusza si˛e nieza-

le˙znie). Zatem

E

n

=

−Js

n

X

m

hs

m

i − γF s

n

=

=



sumowanie po m dotyczy tylko najbli˙zszych s ˛asiadów
hs

m

i = hsi



=

=

−γ



F +

zJ

hsi

γ



Sk ˛ad wynika, ˙ze prawdziwe pole F nale˙zy zrenormalizowa´c, dodaj ˛ac składnik

f

m

=

zJ

hsi

γ

które pełni role pola wewn˛etrznego.

Jednocz ˛astkowa suma statystyczna

Z

n

= e

−βγ(F +F

m

)

+ e

βγ(F +F

m

)

= 2 cosh βγ(F + F

m

)

hs

n

i = hsi =

1

Z

n



e

−βγ(F +F

m

)

− e

βγ(F +F

m

)



=

tghβγ(F + F

m

)

Temperatura krytyczna

T

0

=

Jz
k

B

Wykładniki krytyczne:

Oznaczmy

ε =

|T − T

0

|

T

0

Pierwszy wykładnik krytyczny - α - zwi ˛azany z ciepłem wła´sciwym

C

∼ ε

−α

Dla temperatur T > T

0

oznacza si˛e go przez α, dla T < T

0

przez α

0

.

Drugi indeks - β - wi ˛a˙ze si˛e z parametrem uporz ˛adkowania X

X

∼ ε

−β

background image

21

Odpowiadaj ˛aca mu podatno´s´c jest zwi ˛azana z trzecim wykładnikiem krytycznym - γ

χ

∼ ε

−γ

Z parametrem X wi ˛a˙ze si˛e jeszcze jeden indeks δ, okre´slaj ˛acy zale˙zno´s´c X(F ) w temperaturze T = T

0

X

∼ F

1
δ

,

(T = T

0

)

Funkcja korelacyjna zale˙zy od odległo´sci, przy czym podstawowa zale˙zno´s´c od r ma posta´c

Γ(r)

1

R

d

−2+η

e

e
ξ

gdzie d- wymiar przestrzenny układu, η - indeks krytyczny koryguj ˛acy wykładnik przy r w mianowniku, ξ -

odległo´s´c, na której funkcja wykładnicza maleje e razy. w miar˛e zbli˙zania si˛e do T

0

od strony wy˙zszych temper-

atur stopie´n uporz ˛adkowania układu ro´snie, a odpowiadaj ˛acy mu zasi˛eg korelacji osi ˛aga warto´s´c nieskonczon ˛a.

Zgodnie z tym piszemy

ξ

∼ ε

ν

lub ξ ∼ ε

ν

0

dlaT < T

0

Zaskakuj ˛ac ˛a ceh ˛a indeksów krytycznych jest ich uniwersalizm, tzn. układy zasadniczo ró˙zni ˛ace sie miedzy

sob ˛a maj ˛a podobne warto´sci odpowiednich indeksów krytycznych.

27. Hipoteza uniwersalno´sci zjawisk krytycznych

Wykładniki krytyczne zale˙z ˛a jedynie od wymiaru geometrycznego układu oraz wymiaru parametru porz ˛adku

(Ising - 1, XY - 2, Heisenberg - 3). Złamanie porz ˛adku spowoduje zmian˛e wymiaru parametru. Złamanie symetrii

układu (anizotropia) spowoduje obni˙zenie wymiaru parametru porz ˛adku.

30. Hipoteza skalowania

G

w oklolicy punktu krytycznego jest jednorodn ˛afunkcj ˛aargumentów τ = T −T

c

i H - zewn˛etrzne pole, czyli

spełnia zale˙zno´s´c

G(λ

x

τ, λ

y

H) = λ

p

G(τ, H)

gdzie λ - dowolna stała (λ > 0), x,y,p - charakterystyczne wykładniki.

32. Równanie transportu Boltzmana

Opisuj ˛a transport no´sników pr ˛adu, ciepła w krysztale, metalu... Te równania maj ˛a uniwersalne zastosowanie -

wr˛ecz do ruchu samochodów i przechodniów


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Genetyka - opracowanie do egz, Materiały =), Genetyka
Politologia religii opracowania do egz Politologia Religii zagadnienia
Politologia religii - opracowania do egz, Bierdiajew, Koszmar złego dobra - Nikołaja Bierdiajewa int
Politologia religii - opracowania do egz, ST PK, 3
Politologia religii - opracowania do egz, RELIGIA I NACJONALIZM wg mnie
Politologia religii opracowania do egz wykłady łętocha
OPRACOWANE zagadnienia do EGZ
Opracowane zagadnienia do egz z ped. ogólnej, Pedagogika ogólna
Zagadnienia do egz. -opracowane, UCZELNIA
opracowane zagadnienia do egz z fizyko
Opracowane zagadnienia do egz
J. Sławiński Odbiór i odbiorca w procesie historycznoliterackim, Teoria Literatury, TEORIA LITERATUR
J. Sławiński O problemach „sztuki interpretacji”, Teoria Literatury, TEORIA LITERATURY - opracowania
ZAGADNIENIA DO EGZ. Dla Stomatologów, III rok, pediatria
Zagadnienia obowiązujące do egz z logiki, Nauka, Matematyka
rozw j teorii literatury wyk zag do egz www przeklej pl
socjologia kultury wykłady do egz

więcej podobnych podstron