18996

Идеальные газы

Лекция

Физика

Лекция IX 1. Идеальные газы. Большую статистическую сумму удается рассчитать для идеальных газов. Это системы в которых можно пренебречь взаимодействием частиц. Такое пренебрежение возможно когда взаимодействие мало черное излучение асимптотическая свобода или газ...

Русский

2013-07-11

249.5 KB

6 чел.

Лекция IX

1. Идеальные газы.

Большую статистическую сумму удается рассчитать для идеальных газов. Это системы, в которых можно пренебречь взаимодействием частиц. Такое пренебрежение возможно, когда взаимодействие мало (черное излучение, асимптотическая свобода) или газ разрежен (столкновения редки).

В этом случае

   (IX.1.1)

и большая статистическая сумма равна

 (IX.1.2)

Здесь квантовые числа , т.е. являются числами заполнения квантовых состояний  (вторичное квантование). Использование большого канонического ансамбля существенно облегчает выкладки, поскольку не надо учитывать, что общее число частиц в газе фиксировано.

Действительно, рассмотрим для простоты двухуровневые системы, когда имеются только два состояния: . В этом случае

            (IX.1.3)

Слагаемые под знаком  запишем в виде треугольной таблицы:

   (IX.1.4)

Суммирование в (IX.1.4) будем производить «по диагонали» (параллельно стрелке)

 (IX.1.5)

обобщение на случай любого числа состояний очевидно:

      (IX.1.6)

Отсюда для термодинамического потенциала получаем (без учета принципа Паули)

.        (IX.1.7)

Эту формулу можно получить с помощью такого рассуждения. Для идеальных газов динамического взаимодействия частиц нет, а квантовомеханическое (обменное) взаимодействие проявляется лишь для частиц, находящихся в данном квантовом состоянии. Рассмотрим поэтому совокупность частиц, находящихся в данном квантовом состоянии, как квазизамкнутую подсистему с переменным, вообще говоря, числом частиц. Пусть  – число частиц в данном квантовом состоянии , т.е.  - число заполнения этого состояния. Среднее число заполнения -ого квантового состояния согласно (VIII.5.3) равно

          (IX.1.8)

для идеального газа , поэтому

,       (IX.1.9)

что полностью совпадает с выражением (IX.1.7).

2. Распределение Ферми-Дирака.

Для системы фермионов справедлив принцип Паули: в каждом квантовом состоянии может находиться не более одной частицы. Статистика, основанная на этом принципе, называется статистикой Ферми-Дирака. Для термодинамического потенциала  имеем

          (IX.2.1)

отсюда следует                            

             (IX.2.2)

– функция распределения для идеального газа, подчиняющегося статистике Ферми-Дирака (Ферми-газ). Как и следовало ожидать среднее число заполнения -ого квантового состояния не больше единицы, . Если полное число фермионов в газе равно , то

      (IX.2.3)

Это равенство определяет химический потенциал . Термодинамический потенциал всей системы

        (IX.2.4)

Формулы (IX.2.3) и (IX.2.4) полностью определяют термодинамические свойства Ферми-газа.

3. Распределение Бозе-Энштейна.

Для системы бозонов числа заполнения ничем не ограничены и могут принимать все целые значения, включая нуль. Поэтому

  (IX.3.1)

Сумма геометрической прогрессии существует только если ее знаменатель

       (IX.3.2)

для любых . Полагая, что энергия основного состояния , т.е. энергия отсчитывается от нуля, из неравенства (IX.3.2) следует, что для бозонов

.       (IX.3.3)

т.е. химический потенциал отрицателен. Поскольку при этом условии

,

то                                                               

 .          (IX.3.4)

Среднее число заполнения -ого квантового состояния

   (IX.3.5)

– функция распределения идеального газа, подчиняющегося статистике Бозе-Эйнштейна (бозе-газа). Полное число бозонов

      (IX.3.6)

и термодинамический потенциал

   (IX.3.7)

определяют все термодинамические свойства бозе-газа.

4. Распределение Больцмана.

Распределения Ферми-Дирака и Бозе-Энштейна удобно представить единым образом

           (IX.4.1)

Квантовые свойства системы частиц проявляются только при , т.е. когда средние числа заполнения сравнимы с единицей (для Ферми-газа), или порядка единицы или много больше ее (для Бозе-газа). Если же , то квантовомеханические ограничения не сказываются. В этом случае газ является классическим – больцмановский идеальный газ.

Если

,                      (IX.4.2)

то в знаменателе формулы (IX.4.1) можно пренебречь слагаемым  и получить классическую (больцмановскую) функцию распределения

.     (IX.4.3)

Это неравенство должно выполняться при любых энергиях, в том числе для основного состояния, . Поэтому формальным условием применимости распределения Больцмана является неравенство

    (IX.4.4)

т.е.  - химический потенциал должен быть отрицательным и большим абсолютной величине.

Если движение частиц (молекул газа) можно описывать классически, тогда вместо квантовых чисел состояния нужно использовать фазовые переменные . В квазиклассическом приближении число квантовых состояний в элементе фазового пространства  равно

-число степеней свободы)        (IX.4.5)

Умножая (IX.4.5) на среднее число частиц в одном квантовом состоянии (IX.4.3), получим среднее число частиц в элементе фазового пространства

        (IX.4.6)

Энергия частицы, движущейся во внешнем поле

.           (IX.4.7)

- сумма кинетической и потенциальной энергии, так что импульсные и пространственные переменные в распределении (IX.4.6) разделяются.

  (IX.4.8)

- распределение Максвелла, нормированное на плотность  частиц в единице объема (в (IX.4.8) восстановлена константа Больцмана , так что температура измеряется в градусах Кельвина).

Распределение по координатам во внешнем поле будет равно

,      (IX.4.9)

т.е.

                                                                               (IX.4.10)

- формула Больцмана. Здесь  - плотность числа частиц в точке , а  - плотность в тех точках, где потенциальная энергия .

В частности, в однородном поле тяжести, ,

        (IX.4.11)

- барометрическая формула. В то же время в гравитационном поле ,  и если при , то распределение (IX.4.10) неприменимо. Это связано с неустойчивостью равновесия в гравитационном поле (примером может служить отсутствие атмосферы Луны).

5. Больцмановский идеальный газ.

Вычислим термодинамический потенциал больцмановского идеального газа. При условии (IX.4.4) оба выражения (IX.2.4) и (IX.3.7) дают

                                      (IX.5.1)

Поступательное движение молекул будем описывать квазиклассически. В этом случае энергию молекулы можно представить в виде

,                                                  (IX.5.2)

где собственные значения энергии, отвечающей внутренним степеням свободы частицы (например, колебательное или вращательное движение молекулы). В квазиклассическом приближении имеем

                 (IX.5.3)

Вводя обозначения

                                    ,     ,                         (IX.5.4)

окончательно получаем

                                                (IX.5.5)

Здесь  - внутренняя статистическая сумма, а  - так называемый квантовый объем. Его физический смысл состоит в следующем. Температуре  соответствует энергия . Поэтому волновой вектор , а  - тепловая длина волны. Квантовый объем, связанный с этой величиной , определен формулой (IX.5.4).

Если в газе  молекул, то химический потенциал можно найти из соотношения

                    (IX.5.6)

Поэтому, например, для одноатомного газа () условие применимости статистики Больцмана (IX.4.4)  эквивалентно неравенству

                               или            ,                                 (IX.5.7)

т.е. число частиц в квантовом объеме должно быть много меньше единицы. Это неравенство нарушается при высоких концентрациях, низких температурах и малом молекулярном весе.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13675. Никакая нация не может достичь процветания, пока не осознает, что пахать поле – такое же достойное занятие, как писать поэму 13.67 KB
  Никакая нация не может достичь процветания пока не осознает что пахать поле такое же достойное занятие как писать поэму В. Букер Социология Я полностью разделяю мнение автора так как в нашем веке информационных технологий большое внимание уделяется умственному
13676. Общество – свод камней, который обрушился бы, если бы один не поддержал другого 14.8 KB
  Общество свод камней который обрушился бы если бы один не поддержал другого СенекаФраза Сенеки для меня является ключом к ответу на вопрос что же такое общество. Существует много определений понятия общества. Рассмотрим одно из них. Общество это динамическая сист...
13677. Примеры эссе по курсу обществознания. Общество – свод камней, который обрушился бы, если бы один не поддерживал другого 18.33 KB
  Общество свод камней который обрушился бы если бы один не поддерживал другого Сенека. Эссе № 1Я не согласна с данной точкой зрения. Вопервых общество понятие многозначное. Общества бывают разные. Я сама столкнулась в жизни с одной ситуацией. В городе есть два обще
13678. Подлинное национальное самосознание может быть лишь творческим, оно обращено вперед, а не назад 14.46 KB
  Подлинное национальное самосознание может быть лишь творческим оно обращено вперед а не назад.Н. БердяевПод национальным самосознанием понимается отражение сознаниянации в индивидуальном сознании ее членов выражающих усвоениепоследними представлений о месте и р
13679. Положительное и отрицательное влияние маргинальности на общество 16.55 KB
  Положительное и отрицательное влияние маргинальности на общество. Прежде всего дадим определение понятия маргинальность на котором будет основываться последующее рассуждение на предложенную тему. Классическое и наиболее часто используемое определение данного я...
13680. Семья - один из шедевров природы 14.29 KB
  Семья один из шедевров природы. Дж. Сантаяна Попытаемся ответить на вопрос почему Дж. Сантаяна считает семью одним из шедевров природы. Для начала укажем определение семьи это объединение людей основанное на браке кровном родстве или усыновлении и связанное меж...
13681. Семья является первичным лоном человеческой культуры 14.87 KB
  Семья является первичным лоном человеческой культурыИ. Ильин.Данное высказывание посвящено весьма актуальной социологической проблеме. Автор поднимает проблему семьи как самой ценной ячейке общества.Русский философ Иван Ильин придавал большое значение семье как в
13682. Создает человека природа, но развивает и образует его общество. В.Т. Белинский 16.16 KB
  Создает человека природа но развивает и образует его общество. В.Т. Белинский Человек это высшая ступень развития живых организмов на земле субъект общественноисторической деятельности и культуры но важнейшей его характеристикой является биосоциальная сущн
13683. Счастье. Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастна по-своему 14.69 KB
  Все счастливые семьи похожи друг на друга каждая несчастливая семья несчастна по-своему Л.Толстой. Важнейшим соц. институтом и основной ячейкой общества является семья общность людей основанная на единой общесемейной деятельности супружеских узах и кровном родстве....