Lösningsanvisningar till tentamen i SI1161 Statistisk fysik, 6 hp, för F3 Onsdagen den 2 juni 2010 kl. 14.00-19.00



Relevanta dokument
Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Studieanvisningar i statistisk fysik (SI1161) för F3

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

David Wessman, Lund, 29 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 3. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk fysik för F3

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Termodynamik och inledande statistisk fysik

Föreläsning 12: Ideal gas i klassiska gränsen med inre frihetsgrader, ekvipartitionsprincipen

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Exempel på statistisk fysik Svagt växelverkande partiklar

Tentamen i FTF140 Termodynamik och statistisk mekanik för F3

Kvantfysik SI1151 för F3 Tisdag kl

Två system, bägge enskilt i termisk jämvikt med en tredje, är i jämvikt sinsemellan

Lite fakta om proteinmodeller, som deltar mycket i den här tentamen

Kapitel II. Termodynamikens statistiska bas

Entropi. Det är omöjligt att överföra värme från ett "kallare" till ett "varmare" system utan att samtidigt utföra arbete.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen. Kursmaterialet: Jens Pomoell 2011, Mikael Ehn

Kapitel I. Introduktion och första grundlagen

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

@

Räkneövning 5 hösten 2014

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

TENTAMEN I KVANTFYSIK del 1 (5A1324 och 5A1450) samt KVANTMEKANIK (5A1320) med SVAR och LÖSNINGSANVISNINGAR Tisdagen den 5 juni 2007

Arbetet beror på vägen

Föreläsning 1. Elektronen som partikel (kap 2)

Kapitel III. Klassisk Termodynamik in action

s 1 och s 2 är icke kvantmekaniska partiklar? e. (1p) Vad blir sannolikheterna i uppgifterna b, c och d om vinkeln = /2?

och/eller låga temperaturer bildar de vätskor, nåt som inte händer för Dieterici-modellen, och virialexpansionen.

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Kap 7 entropi. Ett medium som värms får ökande entropi Ett medium som kyls förlorar entropi

Termodynamik Föreläsning 7 Entropi

Bose-Einsteinkondensation. Lars Gislén, Malin Sjödahl, Patrik Sahlin

David Wessman, Lund, 30 oktober 2014 Statistisk Termodynamik - Kapitel 5. Sammanfattning av Gunnar Ohléns bok Statistisk Termodynamik.

Räkneövning 2 hösten 2014

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

Termodynamik Av grekiska θηρµǫ = värme och δυναµiς = kraft

Kvantmekanik och kemisk bindning I 1KB501

Tentamen Fysikaliska principer

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Kap 4 energianalys av slutna system

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Arbete är ingen tillståndsstorhet!

Kvantmekanik. Kapitel Natalie Segercrantz

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Tentamen i termodynamik. 7,5 högskolepoäng. Namn: (Ifylles av student) Personnummer: (Ifylles av student)

SF1646 Analys i flera variabler Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Kursplanen är fastställd av Naturvetenskapliga fakultetens utbildningsnämnd att gälla från och med , vårterminen 2018.

Tentamen i kemisk termodynamik den 12 juni 2012 kl till (Salarna L41, L51 och L52)

Innehållsförteckning. I. Introduktion och första grundlagen I.1. Överblick och motivation

VI. Reella gaser. Viktiga målsättningar med detta kapitel. VI.1. Reella gaser

FK Kvantfysikens principer, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning, onsdag 16 december 2015, kl 17:00-22:00

Tentamen i Modern fysik, TFYA11, TENA

10. Kinetisk gasteori

Lite kinetisk gasteori

7. Inre energi, termodynamikens huvudsatser

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Termodynamik (repetition mm)

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2006

Kursplanen är fastställd av Naturvetenskapliga fakultetens utbildningsnämnd att gälla från och med , vårterminen 2016.

Tentamen Fysikaliska principer

Till alla övningar finns facit. För de övningar som är markerade med * finns dessutom lösningar som du hittar efter facit!

Frielektron fermigas i en kristall. L z. L y L x. h 2 2m FRIELEKTRONMODELLEN

Applicera 1:a H.S. på det kombinerade systemet:

Number 14, 15, 16, and 17 also in English. Sammanställning av tentamensuppgifter Kvant EEIGM (MTF057).

Välkomna till kursen i elektroniska material! Martin Leijnse

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

BFL122/BFL111 Fysik för Tekniskt/ Naturvetenskapligt Basår/ Bastermin Föreläsning 7 Kvantfysik, Atom-, Molekyl- och Fasta Tillståndets Fysik

4-1 Hur lyder Schrödingerekvationen för en partikel som rör sig i det tredimensionella

Kvantbrunnar -Kvantiserade energier och tillstånd

SF1626 Flervariabelanalys Lösningsförslag till tentamen DEL A

Övningstentamen i KFK080 för B

Föreläsning 13, SF1626 Flervariabelanalys

Tentamen Fysikaliska principer

Termodynamik FL 2 ENERGIÖVERFÖRING VÄRME. Värme Arbete Massa (endast öppna system)

Re(A 0. λ K=2π/λ FONONER

BFL102/TEN1: Fysik 2 för basår (8 hp) Tentamen Fysik mars :00 12:00. Tentamen består av 6 uppgifter som vardera kan ge upp till 4 poäng.

Tentamen KFKA05 Molekylära drivkrafter 1: Termodynamik,

r 2 Arbetet är alltså endast beroende av start- och slutpunkt. Det följer av att det elektriska fältet är konservativt ( E = 0).

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

Kvantmekanik. Kvantmekaniken: De naturlagar som styr förlopp i den mikroskopiska världen (och i den makroskopiska!) Kvantmekanik.

mg F B cos θ + A y = 0 (1) A x F B sin θ = 0 (2) F B = mg(l 2 + l 3 ) l 2 cos θ

3. Potentialenergi i elfält och elektrisk potential

6. Värme, värmekapacitet, specifik värmekapacitet (s )

Instuderingsfrågor, Griffiths kapitel 4 7

Föreläsning 14: Termodynamiska processer, värmemaskiner: motor, kylskåp och värmepump; verkningsgrad, Carnot-cykeln.

Välkomna till kursen i elektroniska material!

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 18 augusti 2011, Svar och lösningsförslag

Räkneövning i termodynamik, hösten 2000

X. Repetitia mater studiorum

Wilma kommer ut från sitt luftkonditionerade hotellrum bildas genast kondens (imma) på hennes glasögon. Uppskatta

Kapitel V. Praktiska exempel: Historien om en droppe. Baserat på material (Pisaran tarina) av Hanna Vehkamäki

X. Repetitia mater studiorum. Termofysik, Kai Nordlund

Transkript:

EOREISK FYSIK KH Lösningsanvisningar till tentamen i SI1161 Statistisk fysik, 6 hp, för F3 Onsdagen den juni 1 kl. 14. - 19. Examinator: Olle Edholm, tel. 5537 8168, epost oed(a)kth.se. Komplettering: Komplettering av Fx till E sker efter överenskommelse med examinator senast den /8 1. Poängsättning: 1-4p per uppgift. otalt 4p + KS-bonus. Preliminär betygsskala: Fx 9, E 1, D 1, C 15, B 18 och A 1 1. En värmepump används för att hålla inomhustemperaturen o C. Hur stor del av uppvärmningseffekten måste tillföras som arbete om värmekällans temperatur är i) o C och ii) o C om man antar att pumpen fungerar idealt (Carnot-maskin)? (1p) Lösning: Om Q 1 är den effekt som tas från omgivningen med den lägre temperaturen 1, Q är den effekt som ger uppvärmning vid temperatur 93 K och W är den effekt som tillförs som arbete gäller: vilket ger W +Q 1 Q samt Q / Q 1 / 1, W Q 1 1. Det betyder 6, 8% respektive 13, 6% vid de två temperaturerna.. En van der Waals-gas har den konstanta värmekapaciteten (vid konstant volym), C,5k B, per molekyl. Den expanderar fritt (utan arbete) och värmeisolerat till den 1-dubbla volymen. Bestäm temperaturändringen som funktion av ursprungstätheten och de parametrar som ingår i tillståndsekvationen! (3p) Lösning: Det är den inre energin som bevaras i processen. Utnyttja därför: ( ) ( ) U(,) S(,) du ds pd eller p. Här kan Maxwellrelationen, FS 7.1: ( ) S(,) utnyttjas, vilket ger: ( ) U(,) ( ) p(,) ( ) p(,) ( ) N p a, där det sista ledet följer efter utnyttjande av tillståndsekvationen (FS 7.14). Intergration ger nu: U(,) a N +f(), 1

där f() bestäms ur att C,5Nk B ( U/ ) vilket ger U ger då temperaturändingen U(,) a N +,5Nk B. 9a N 5k B där N/ är ursprungstätheten. 3. attens dielektricitetskonstant har temperaturberoendet ǫ() 78, 5, 35( 3). Bestäm entropiändringen hos en vattenvolym,, när ett homogent elektriskt fält med fältstyrkan E kopplas på vid oförändrad temperatur! (p) Lösning: Betrakta differentialen av potentialen H F EP, där P är polariseringen och E det elektriska fältet: Ur denna fås Maxwellrelationen: ( ) S E dh(,e) Sd PdE som direkt vid konstant ger entropiändringen ( ) P ǫ E dǫ() d, E S 1 ǫ E dǫ() d,175ǫ E. 4. ärmekapaciteten hos ett system som bara har två energinivåer kommer att ha ett maximum som funktion av temperaturen. Bestäm värmekapaciteten som funktion av energiskillnaden, E, mellan de två odegenererade nivåerna och temperaturen. isa att den måste ha ett maximum som funktion av temperaturen (Du behöver inte bestämma det)! (p) Lösning: U Ee E/k B 1+e E E/k B 1+e, E/k B vilket ger värmekapaciteten ( ) E e E/k B C () k B k B (1+e E/k B ), som är positiv (eller noll) för alla värden på x E/k B. Både då x går mot noll och mot oändligheten går denna funktion mot noll. Det betyder att det måste finnas ett maximum någonstans där emellan. 5. Energiegenvärdena för en kvantmekanisk partikel med massan m som är instängd i en kubisk låda med volymen är E(n 1,n,n 3 ) h (n 1 +n +n 3 ) 8m /3,n i 1,,3,....

Bestäm ur detta den absoluta entropin hos en ideal gas av icke-särkskiljbara partiklar i den klassiska gränsen! Ge resultatet som en entropi per molekyl som funktion av de intensiva variablerna p och! (3p) Lösning: illståndssumman för en partikel blir: Z(N 1,,) e h 8m /3 k B (n 1 +n +n 3 ) e h 8m /3 k B (n 1 +n +n 3 ) dn 1 dn dn 3 n i 1 ( 8m /3 k B ) ) 3/( ) ( ) 3 3/ πmkb e x dx För icke-särkskiljbara partiklar blir då N-partikel-tillståndsssumman ( ) 3N/ πmkb. Z(N,,) 1 N! ZN (1,,) N! Detta ger entropin or with p Nk B S(N,,) ( ) F k B [ ln lnn!+ 3N ln ( πmkb Nk B [ 3 ln ( πmkb S Nk B [ 3 ln ( ) πmkb k B lnz +k B ( ) lnz )+ 3N ln ] )+ 5 ln +1 lnn/ ] + 5 ln +1+ln k B p (N 1) 6. Ett gummiband kan modelleras som en endimensionell kedja som består av N segment (N 1). arje segment kan vara orienterat antingen i kedjans positiva riktning eller vinkelrät mot denna. Bägge orienteringarna är lika sannolika. I det förra fallet har segmentet längden a i kedjans riktning, i det senare fallet längden noll. Detta betyder att om n segment pekar längs med kedjan så är dess längd L na. Bestäm entropin som funktion av n och ur detta en relation mellan spännkraften (f) som behövs för att hålla kedjan vid en viss längd (L) och temperaturen (). Anta att n 1 och att N n 1. ad krävs för att Hookes lag (att kraften är proportionell mot töjningen) ska gälla? (3p) Lösning: n segment i kedjans riktning av totalt N, ger längd L na. Antalet sådna tillstånd är N! Ω(n) (N n)!n! S(n) k B lnω(n) k B [ nln n N n (N n)ln N N ] F U S {U } k B a [Lln L Na L +(Na L)ln ] Na Na ( ) F δw rev fdl f k B L a ln L Na L 3 ]

L Na L 1 f L L Na L L +(L L ) L + L f k B a ln L + L L L L k B a L 1+ L ln 1 L. L Om L/L 1 kan detta serieutvecklas och vi får i lägsta ordningen f k B al (L L ), vilket är Hookes lag. 7. En volym innehåller elektromagnetisk strålning i jämvikt vid temperatur. Bestäm bidraget per foton till värmekapacitet (vid konstant )! Jämför med värmekapaciteten per molekyl hos en ideal gas av en-atomiga molekyler. (3p) Lösning: För fotonerna gäller (FS 8.1+8.3): U 8π (hc) 3 Antalet fotoner är: N 8π (hc) 3 vilket ger energin per foton som: α 3 dα e α/k B 1 8π(k B) 4 (hc) 3 α dα e α/k B 1 8π(k B) 3 (hc) 3 x 3 dx e x 1 8π5 (k B ) 4 15(hc) 3 x dx e x 1 19.π(k B) 3 (hc) 3, U/N.7k B och värmekapaciteten per foton c,7k B, att jämföras med den klassiska gasens 1,5k B. 8. Bestäm trycket hos ideal Fermi-Dirac gas som funktion av tätheten och partiklarnas massa vid temperaturen samt i högtemperaturgränsen! ilket är kriteriet för att den senare approximationen ska gälla? (3p) Lösning: Formelsamlingen 8.16 + 8.19 ger trycket: p k B lnξ 1 σ(α)dα e (α µ)/k B +1 där σ(α) ges av FS 8.4. id är µ ǫ F och vi får: p 8π(m)3/ 3h 3 där Fermienergin bestäms ut villkoret: ǫf α 3/ dα 16π(m)3/ ǫ 5/ 15h 3 F N σ(ǫ F ) 8π(m)3/ ǫ 3/ 3h 3 F eller: ǫ F ( 3N h )/3 8π m 4

vilket ger trycket vid : p 5 ( 3 8π )/3 ( N h )5/3 m id höga temperaturer ǫ F /k B gäller istället det klassiska resultatet p Nk B /. 9. En ideal Bose-Einstein-gas kan kondensera i grundtillståndet om temperaturen är tillräckligt låg. isa varför det blir så i tre dimensioner men inte i två! (4p) Lösning: I tre dimensioner gäller: ( ) m 3/ N π αdα e (α µ) k B 1 µ N(µ) är maximal för µ N max (πmk B) 3/ ζ(3/) där N max är det maximala antal partiklar som ryms i kontinuet av tillstånd med energi >. De övertaliga partiklarna kommer då att kondensera till grundtillståndet. Detta börjar ske vid ( ) /3 N c ζ(3/) πmk B I två dimensioner blir ρ(α) konstant och N (µ ) dα e α/k B 1 divergerar. Då ryms hur många partiklar som helst i kontinuet. h 3 dim 3 dim N(µ) N max µ 5