Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Метода термодинамика(практика)

.pdf
Скачиваний:
306
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

R

 

потенциальная

энергия

u = mω2 r2

2 ,

где

 

r2 = ∫r2dW (r)

∫dW (r) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

}

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

m ω2 R2 2 kT

m ω2 R2 2kT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После

вычисления

 

 

 

 

R

 

 

 

e

 

−1 .

u = kT {1 + mω

2kT −1 e

 

 

 

4.26.

q = e(m1−m2 ) ω2 R2

2 kT .

4.27

Средняя

 

энергия

колебательного

движения

ε = p2

2m + æq2

2 .

Поскольку dW ( p) dW (q) = Ce− p2

2 mkT dp e−æq2 2kT dq ,

то

∞

∞

∞

∞

 

 

 

p2 = ∫ p2 dW ( p)

∫ dW ( p) ,

q2 = ∫ q2 dW (q)

∫ dW (q)

и

 

= kT .

ε

− ∞

− ∞

− ∞

− ∞

 

 

 

4.28. Вероятность, что двухатомная молекула имеет компоненты угловой

скорости вблизи ω1 и

ω2

дается выражением (см. 4.12):

dW (ω1,ω2) = (I 2πkT )exp(−I (

ω12+ ω22 )

2kT )dω1dω2 , где I = m1m2a (m1 + m2 ) .

Отсюда находим ω2j

εв = I (ω12 + ω22 )2 = kT .

∞

= ∫ ω2jdW (ω j ) и среднюю энергию вращения

−∞

4.29. Число молекул газа, пополняющих один из

сосудов за единицу времени, равно ∆N = N1 − N2 . Число молекул N j , уходящих из j -го сосуда, определяется распределением Максвелла по проекциям

скорости, ортогональным сечению S : N j

= Snj (m 2πkTj )1 2 ∞∫e− mv2 2kTj vdv . Здесь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

плотность молекул

учитывает

состояние газа

nj = pj kTj . Поэтому

M = m∆N = Sp(m 2πkT )1 2 (

2 −1).

4.30.

Число

частиц,

вылетающих со

скоростью

v

 

через

единицу

площади

за

1 c :

dn(v, θ≤ π 2)=

= 2πnvdW (v)

π 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ cosθsin θdθ. Если

n0 – плотность молекул в пучке, то вероят-

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ность, что они имеют скорость v , есть dW1 (v) = dn(v)

n0 . Отсюда

 

 

∞

 

 

 

 

∞

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

= ∫v dW1 (v) = ∫e−mv2 2kT v4dv

∫e−mv2 2kT v3dv = (3 2)(πkT 2m)1 2 .

v

0

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

Аналогично,

 

 

Каждая молекула, имеющая ортогона-

 

v2

= 2(kT m)1 2 . 4.31.

льную к стенке

 

v

– проекцию скорости, при ударе передает ей энергию

ε(v ) = pmv2

2 .

Число молекул, ударяющихся за 1 с о стенку, находится из

101

распределения Максвелла dν(v )= nv dW (v ). Получаемая при этом энергия

1 cм2 стенки от молекул с проекциями скоростей v [0, ∞] равна

∞

E = ∫ε(v ) dν(v ) = (pnm4 π)(2kTm)32 . 4.32. Если a – равновесное расстоя-

0

ние, а q – смещение атомов от положения равновесия, то l = a + q . Поскольку на атомы действуют силы упругости, то их потенциальная энергия равна

∞

U (q)= æq2 2 и q = ∫ qexp(−æq2 2kT )dq = 0 , l = a .

−∞

5.1. Динамика параметров газа при адиабатическом процессе описывается урав-

нением

Пуассона

 

(см. пример

2):

pV γ

= p V γ

= NkTV γ−1 .

 

p = NkTV γ−1 V γ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

2

2

1

1

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

W =

V2

NkTV γ−1dV V

γ = NkT

1

−(V V )γ−1

(γ −1).

 

 

F = −

T

SdT = RV T ×

∫

5.2.

 

∫

 

 

 

 

 

1 1

 

 

1

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 0

 

V1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T0

 

 

 

 

 

 

 

× 1 −

(T T )α+1

V (α +1),

p = RV T

1 −(T T )α+1

V 2 (α +1) .

 

5.3.

Поскольку

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ω(E) = exp(S k) ,

CV = (∂E ∂T )V ,

S = T∫(CV dT T )= nαT n−1

(n −1),

 

то

Ω(E) =

 

 

(

 

 

 

(

 

)

)

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

. 5.4. dw(ε) = 4πVe−ε kT ε2dε z(hc)3 ; z =8πV

 

 

3

 

 

3 . Для

= exp

 

 

nE

 

n −1 kT

 

 

kT

 

 

hc

 

идеального

газа

 

Z = zN

N !;

F = −NkT ln (8πV (kT )3 e (hc)3 N ),

 

p = nkT ,

E = N

 

= 3NkT ;

CV = 3Nk .

5.5.

 

Z = zпостN

zпотN

N !,

 

zпост = (2πmkT

 

h2 )3 2 ;

ε

 

 

 

zпот = kTS (1 − e−mgH kT ) mg . F = −NkT ln{e(2πmkT h2 )3 2 SkT (1 −e−mgH kT )

 

Nmg},

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E =

5NkT 2 − NmgH

(

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

emgH kT −1 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CV = 5Nk 2 − N (mgH )2 emgH kT

kT 2 (emgH kT −1)2 ;

 

при mgH kT <<1

CV ≈ 3Nk 2 ,

при mgH kT >>1

CV ≈ 5Nk 2 . 5.6 Дипольная молекула в электрическом поле

 

GG

приобретает дополнительную потенциальную энергию

U = −(dE)= −d0 E cosθ.

N

Функция состояний Z = Z0 ∫π ed0 E cos θkT sin θdθ = Z0 (2kT d0 E)N sh N (d0 E kT ).

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

102

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вектор

поляризации

 

P = −(∂Ф ∂EG) = kT ∂(ln Z )

∂EG = Nd0 {cth(d0 E kT )−

−kT d0E} EG

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EG

. В слабом электрическом поле ( d0E kT <<1): PG Nd02 EG

3kT ,

Z (E ) 2N 1 +(d0E kT )2

6 N .

5.7.

CV = 2kT (∂(ln Z )

∂T )+ kT 2 (∂2 (ln Z )

∂T 2 ).

5.8.

Фазовый

объем

 

 

 

G

G

=V

N

G

Область

интегрирования

в

Г(Е,V )= ∫dpdq

 

∫dp .

пространстве импульсов определяется условием

(p12 + p22 +... + p32N )

2m ≤ E

и

является с геометрической точки зрения шаром в 3N –мерном пространстве с

радиусом

R =

2mE .

Интеграл

есть

объем,

пропорциональный

R3N = (2mE)3N 2 ,

т.е.

Г(Е,V )= const V N E3N 2 .

Энтропия

 

S = k ln (Г h3N )=

= kN lnV + (3kN ln E) 2 + const . Температура

T = ∂E ∂S = 2E 3kN . 5.9. Началь-

ная

энтропия

S 0 = S 0 + S0

= N k ln (V N )+ N f (T , m )

+ N

k ln (V

N

2

)+

 

 

 

 

 

 

1

2

1

 

1

 

1

1

1

1

2

 

2

 

 

+N2 f (T1,

m2 ),

после

 

смешивания

S = N1k ln ((V1 +V2 )

N1 )+ N1 f (T1, m1 )+

+N2k ln ((V1 +V2 )

N2 )+ N2 f (T1, m2 ). Ее изменение S − S0 = N1k ln ((V1 +V2 )

V1 )+

+N2k ln ((V1 +V2 )

V2 )> 0 .

 

5.10.

 

Начальная

энтропия

 

системы

S 0 = −Nk ln p p − 2Nf (T ), а

после

смешивания

S = −2Nk ln p − 2Nf (T ), где

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 p1 p2 ). 5.11. Из

p = 2NkT (V1 +V2 ). Изменение энтропии ∆S = Nk ln ((p1 + p2 )2

закона сохранения энергии dE = dQ − pdV и уравнения состояния p = NkTV с

учетом dE = CV dT и равенства

Cp −CV = Nk

(см.

пример

2)

имеем

CdT = CV dT + (Cp −CV )T dV V . После интегрирования

получаем

уравнение

политропы для идеальных газов:

TV n−1 = const ,

где

n = (C

p

−C) (C

 

−C) .

 

 

 

 

 

V

 

Другие формы уравнения политропы следуют из соответствующих замен через

уравнения

 

состояния: T n pn−1 = const , pV n = const . Адиабатический ( dQ = 0 ,

C = CQ = 0

,

n = γ) и изотермический ( dT = 0 , C = CT → ∞) процессы являются

граничными случаями политропного процесса. Т. е. для реальных процессов

1 < n < γ .

Частные случаи политропного процесса:

изобарный ( C = Cp , n = 0 )

p = const

и

изохорный ( C = CV ). В последнем

случае вместо уравнения

pV n = const

можно воспользоваться равносильным ему (Vp1 n = const , 1/ n = 0 )

V = const . 5.12 Энтропия идеального газа S = (mµ)Nk ln (VT 32 )+ f (m, N ) , а

∆S = S2 − S1 = (m µ)Nk ln (V2T23 2

V1T13 2 ).

При

изохорном

 

процессе

∆S

= (m µ)C ln (T

T ). В

адиабатическом

процессе (V

V = (T T )1 γ−1

,

V

V

2

1

 

 

2

1

1 2

 

103

см. пример

2)

 

∆SQ = 0 .

5.13.

Свободная

энергия

до

смешивания

Fj0 = −νj NkT ln (Vj

νj N )+ f (mj ,T )

, а после Fj = −νj NkT ln ((V1 +V2 )

νj N )+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

+ f (mj ,T ) . Её изменение при изотермической диффузии ∆F = ∑(Fj − Fj0 )=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j=1

 

= −NkT ν1 ln ((V1 +V2 )

V1 )+ ν2 ln ((V1 +V2 ) V2 ) < 0 . Если

 

V1 =V2 ,

ν1 = ν2 =1, то

∆F = −2NkT ln 2 .

5.14.

F = −kT ln (z1N1 z2N2

N1!N2 !)= F1 + F2 ;

p = −(∂F ∂V )T =

= p1 + p2 .

5.15.

При

переменных

V

и

T (∂CV

∂V )

 

=T (∂2S ∂T∂V )

. Т.к.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

V

(∂S ∂V )T = (∂p ∂T )V ,

то

(∂CV ∂V )T =T (∂2 p ∂T 2 )V .

5.16.

Воспользоваться

определением

Cp ( p,

T )

и

(∂S ∂ p)

= −(∂V ∂T )

p

.

 

5.17.

См. №

5.16.

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.18. (∂p∂V )S (∂p∂V )T = (∂S∂T )p (∂S∂T )V = Cp CV >1. 5.19. H = ∫CpdT = = (αT 4 ln p)4 + A( p) ; V = (∂H∂ p)S = αT 4 4 p +(∂A ∂ p)S ≡ βT 4 p , (∂A∂p)S = 0 , A(p)= H0 . 5.20 Сp = −T (∂2Ф∂T 2 )p , γТ = −T (∂2Ф∂p2 )V ; α = (∂2Ф∂T∂p)p V0 .

5.21. С учетом pV = νNkT выразить интеграл состояний как функцию давления

Z ( p, T )

и воспользоваться (5.15). Решение аналогично задаче 5.13. 5.22. Вос-

пользоваться

 

уравнением

Гиббса-Гемгольца,

 

H = (Cp2 −T 2 ) 2 .

5.23.

Из

дифференциальных соотношений

(∂T ∂p)S = (∂V ∂S )p

= (∂V ∂T )p

(∂S ∂T )p =

= αVT Cp . Для идеального газа (∂V ∂T )p = Nk p ,

(∂T ∂p)S

=V Cp . 5.24. Изме-

нение энтропии при смешивании

∆S = −Nk

{

ln

 

4VV

(V +V )

2

 

+3ln (T T ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

1

2

 

 

 

0

 

}

Максимальная полезная работа возможна в обратимом процессе ∆S = 0 ,

т.е.

при

T =T0 {4V1V2

(V1 +V2 )2}1 3 .

Отсюда

 

 

∆W = −∆E =3Nk (T0 −T ) =

= 3NkT

 

 

4VV (V +V )2

1 3

 

 

5.25.

Из

 

 

№

5.6,

имеем

∆E (ε)=

1 −

 

.

 

 

0

 

 

1

2

1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= kT 2 ∂ln Z (

ε,T )

∂T = −N (ε d

0

)2

3kT C

(ε)

= ∂(∆E ) ∂T = (Nk 3)(εd

0

kT )2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку Cпост

= 3Nk 2 , то

C

 

(ε)<< Cпост .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

V

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1. Nk 2π2T 2εF .

 

 

6.2. Из

(5.22) и

 

 

перекрестных

соотношений

(∂V ∂T )

p

= −(∂S ∂p)

T

;

(∂p ∂T )

= (∂S ∂V )

T

:

Cp −CV ~ T 3 .

6.3.

z =

 

 

 

V

 

 

 

 

 

104

= ∞

n +1 exp

−hν

(

n +1

kT

= −∂

∞ exp −hν

(

n +1

kT

 

∂

(

hν

kT

)

,

∑(

)

 

 

)

 

 

∑

 

)

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E = kT 2 ∂(ln zN )

∂T = NkT 2 ∂(ln ehν kT (ehν kT −1)−2 )

∂T = Nhν 1 + 2

(ehν kT −1) .

6.4. Учитывая (6.25), после вычисления

S = ∫CV dT T

воспользоваться (5.22):

Cp −CV ~ T 7 . 6.5. ρ(ν, n(ν),T )=8πn3 (ν)hν3 1+ (νn)(∂n∂ν) c3 (ehνkT −1) .

6.6. Поскольку при T = 00 K E = 3Nε

F

5 , то свободная энергия

0

 

F = −T ∫(E0 T 2 )dT = E0 = (3Nh2 10m)(3N8πV )23 . Из p = −(∂F∂V )T = 2E0 3V

следует pV 5 3 = const ,

что

совпадает

с уравнением

адиабаты

 

классического

идеального

газа. 6.7.

F = NkT ln (1 −e−hν kT ). 6.8.

42000 K . 6.9.

 

v = 2 kθD d h =

=12 км с.

6.10. Число ударов электронов с

импульсом

p ,

 

ориентирован-

ным под

углом

θ

 

к

нормали

стенки,

равно

 

их

плотности

dn( p) = f 4πp2dpsin θdθ h3 , умноженной

на

объем

 

( p cos θ)

 

m. Т.к.

f =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π 2 pF

(p cosθ m)dn( p) = 2πmε2F

 

при T = 00 K и

f = 0

при T > 00 K , то ν = ∫

∫

h3 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (hπ 2m)(3n 8π)4 3 . 6.11. При

T >>T

функция состояний

z

в

=T T . Считая

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

интенсивность

 

I ( j, T ) = An(εj )

N = A(Tв

T )

(2 j +1)e

− j( j+1)Tв T

 

 

 

непрерывной

 

 

 

 

 

 

функцией

j , из условия

∂I ∂j = 0

находим j(max)

= (

2T Tв −1)

2 . Максимум

излучения

 

 

I ( jmax , T ) = A

2Tв T exp{−(2 −Tв T )

 

4}≈ A 2Tв

T (1 +Tв

2T )

приходится

на

частоту

(см.

пример

 

4)

 

ν = (εj(max) +1 − εj(max) )

h =

= 2kTв ( j(max) +1)

h = kTв (1 +

2T Tв )

h .

6.12.

Излучение Солнца считается

равновесным,

а

при

данных

задачи

hν

1

kT 10−4

его

 

 

спектральная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

плотность описывается приближением (6.36). С учетом уменьшения мощности излучения по мере удаления от Солнца в ξ раз и ее связи со спектральной

плотностью (см. пример 5)

имеем ξε(ν, T )dν = ξcρ(ν, T )dν 4 .

Полная

мощность

шумового

сигнала,

принимаемая антенной площадью

S , равна

2πS ξkT ν2

c2 2 10−14 Вт. 6.13. Т.к. плотность фотонов вблизи частоты ν

C

 

 

 

 

 

равна dn(ν)= fф g (ν)dν, то

из

(6.30) при n(ν) =1 и (6.34)

следует

 

 

∞

 

∞ ∞

∞

N =8πV (kT hc)3 J ,

где J = ∫x2 e−x

(1 −e−x ) dx = ∑∫x2e−nxdx = Г(3)∑1 n3 ≈

 

 

0

 

n=1 0

n=1

105

≈ 2.6 . Уравнение адиабаты

pV 4 3 = const находим из (6.39). 6.14. C = 4αVT 3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

Т.к. p = αT

3

 

не зависит от объема V , а Cp = CV

−T (∂p ∂T )V

(∂p ∂V )T , то

 

 

Cp → ∞. 6.15.

 

Относительная заселенность n-го уровня энергии

dN (n) N =

= dw

(

n, (T

T )

)

= exp(−nT

T )

∞

exp(−nT T )

= exp(−nT

T )

1 −e−Tk T

)

,

 

k

 

 

 

k

 

∑

k

k

(

 

 

n=0

d W (0, 0.5)= 0.864 , dW (1, 1) = 0.117 . 6.16. Энтропия колебательного ( p = k ) и

вращательного ( p = в) движений N молекул –

Sp

 

 

+T

∂(ln zp )

 

 

= Nk ln zp

∂T .

Характеристическая

температура

вращения –

T = h2 (m + m )

8π2r2m m k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

c

0

 

c

 

0

2.70 K .

Поскольку

T T = 222 >>1, то функция

состояний вращательного

 

 

 

 

 

в

 

= Nk (ln (T Tв )+1) 12.7 кал/ град.моль.

движения

zв ≈T Tв ,

а

энтропия

Sв

Характеристическая

 

температура

{

колебательного

движения

 

 

 

 

 

 

 

−Tк T

 

−Tк T

 

 

−Tк T

}

Tк = hv k = 3100

0

K ,

а

энтропия

Sк =

Nk Tкe

T (1 −e

)−ln (1 −e

) ≈

 

 

 

 

 

 

≈ Nke−Tк T (1 +T T )≈ 0.07 кал/ град.моль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.1. В состоянии равновесия тело не движется. Работа при движении его за счет

флуктуации

∆W = Mv2

2 ,

где v – скорость макроскопического движения.

Вероятность

флуктуации

скорости

w(v)~ exp(−∆W kT )~ exp(−Mv2 2kT ).

 

 

 

 

v0x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

= kT M

и

 

v2

= kT M .

7.2.

После

возведения

в квадрат и

усреднения дифференциала тепловой функции

∆H =V

 

∆p +T∆S

имеем (см.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пример 1) (

∆H )

 

 

−V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= kT CpT

 

(∂p ∂V )S . 7.3. См. пример 1, (7.7а) и (7.13)

 

∆T ∆p = (kT

 

CV )(∂ p ∂T )V .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(kT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r∆T ,∆p = ∆T

∆p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

7.4.

r∆V ,∆S = kT (∂V ∂T )p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. Для

идеального

газа r∆V ,∆S =

 

−kT (∂V ∂p)T kCp

=1

 

5Nk 2 . 7.5.

 

 

= kT . 7.6. ϕ2 = kT mgl . 7.7. Среднее число фермионов

∆S∆T

«+»

и

 

бозонов

«–»

с

энергией

 

εj

 

описывается

распределением

 

 

= exp((εj −µ)

kT )±1 − 1 .

Так

как

(∆nj )2

= kT (∂n j

 

∂µ)

(пример 5), то

 

nj±

 

 

 

 

j+ (1 −

 

j+ ),

 

 

 

 

(

 

j− ).

 

 

 

(∆nj+ )2

 

=

 

 

(∆nj− )2

=

 

j−

1 +

 

Дисперсия числа

фермионов

 

 

n

n

n

n

106

обращается в нуль при n j+ = 0 и n j+ =1, хотя в случае n j+ = 0 относительная флуктуация равна ∞. Для бозонов относительная флуктуация остается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

конечной, равной единице и при очень больших n j− .

7.8. Дисперсия полного

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

(ε j −µ) / kT

 

(εj −µ) / kT

 

числа бозонов (см. 7.7) (∆N )

= ∑n j− (n j− +1)= ∑e

.

 

 

e

 

−1

 

 

 

j

j

 

 

 

 

 

После перехода от суммы к интегралу, учитывая значения плотности состояний g(ν)dν =8πν2dν V c3 (раздел 6.), энергии фотонов ε = hν и равенство нулю химического потенциала µ = 0 , имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

ehν kT

 

 

8πV ν2dν

 

 

8πV (kT )3

∞

 

ex x2dx

 

 

 

(∆N )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫

 

 

 

 

 

 

 

c3

=

(ch)3

 

∫

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

(

 

hν kT

)

2

 

(

x

)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

∞

x

2

dx

∞

e

−x

x

2

 

 

∞

∞

 

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.к. ∫

e x

= ∫

 

 

dx

= ∑

∫nx2e−nxdx =

 

, то

окончательно получаем

x

2

 

 

 

 

 

−x 2

 

 

0

(e

−1)

0

 

(1 −e

 

)

 

n=1 0

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

(∆N )2 = (2πkT hc)3 V 3 . 7.9. Используя алгоритм решения предыдущей задачи

 

 

 

g(ε)dε = 4πV (2m h2 )3/ 2

 

 

εdε,

 

 

=

 

j (1 −

 

j ),

 

 

 

 

и значения

 

εdε = A

(∆nj )2

 

 

находим

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

ε(∂n ∂ε)dε,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(∆N )

2

= −AkT ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

(ε−µ) kT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где n =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

+1

 

 

. Вводится новая перемен-

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ная x = (ε −µ)

kT . Поскольку подынтегральная функция заметно отлична от

нуля

 

вблизи

ε ≈ µ ( x = 0 ),

а в

силу

неравенства

µ kT >>1, то

 

 

нижний

предел

интеграла

считаем

равным −∞ , а

 

 

µ+ kTx

 

µ + (kT

2

 

µ) x −

− (kT )2

8

µ3

x2

+....

Так

как

 

 

 

функция

 

 

∂n ∂x

 

четная,

 

 

 

(∞) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(∂n ∂x)dx . Интегриро-

 

 

 

 

 

 

 

(∆N )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

∫x

2

n(−∞) =1,

то

= AkT

 

 

 

 

 

 

8

µ

 

µ + 2 (kT )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вание по частям дает∫x2

(∂n ∂x)dx = −2∫x (ex +1)−1 dx = −π2 6 . Дисперсия пол-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ного числа электронов (∆N )2

= 4πV (2m h2 )3/ 2 kT

µ 1 −(πkT µ)2 24 . 7.10. Из

№ 7.3

для

идеального

газа ( pV = NkT )

 

 

= N (kT )2

 

C V .

С

 

учетом

 

∆T ∆p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

уравнения

 

 

адиабаты

( pV γ

= const )

 

 

 

 

(∂p ∂V )

S

= −γ p V

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆p2 = γ p2 N = γkpT V ,

где

γ = C

p

C .

 

Отсюда

 

r

 

= Nk C

p

= 2 / 5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆p,∆T

 

 

 

 

 

 

 

 

107

7.11. С ростом заряда конденсатора на величину ∆q его энергия увеличивается

на ∆W = (∆q)2

2C . Вероятность

заряда

конденсатора

– w(∆q) ~ e− (∆q)2

2kTC .

Сравнение

ее

с

распределением

Гаусса

определяет

масштаб

флуктуаций

 

 

=

 

 

(∆I )2 = kT

 

 

 

 

 

(∆q)2

kTC .

7.12.

L . 7.13.

Скорость

дрейфа

электронов

v = I enS ,

а время пролета

проводника

длиной l равно t0 = l

v = Slen I .

Полоса

частот

 

дробового

шума

заключена

между

нулем и

1 2t0 ,

т.е.

∆f Д = I

2Slen =10 10−3

(2 10−2 1,6 10−19 l n) ; а) ∆f Д = 30 кГц; б) ∆f Д = 300 Гц.

7.14. Для проводника с l =1 см, n =1016 см –3,

ρ =1 Ω cм частоты дробового

шума лежат в интервале от 0 до 300 Гц (задача 7.13) усилителем не

воспринимаются.

 

Для проводника с l =10−1 см, n =1015 см – 3, ρ =10 Ω cм,

R =100 Ω .

 

2eIR2∆f = 2 1,6 10−19 10−2 104 9600 = 0,44 мкВ.

 

(∆Uдр)2

=

 

4kTR ∆f =

4 1,38 10−23 300 100 9600 = 0,12 мкВ.

7.15.

(∆UT )2

=

 

108

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

П.1. Значения некоторых физических величин

 

Число Авогадро

NA

6,02 1023 моль−1

Число Лошмидта*

Объем 1 моля идеального газа при нормальных условиях

Атомная единица массы

Постоянная Больцмана Ускорение свободного падения

Универсальная газовая постоянная

Скорость света Масса электрона Масса протона Постоянная Планка

Заряд электрона

NL

2,69 1025

м−3

V

2,24 10−2

м3

0

 

 

 

а. е. м.

1,66 10−27

кг

k

1,38 10−23 Дж** град

g

9,81 м с2

 

 

NAk = R

8,31 Дж моль град

c

3,00 108 м с

me

9,11 10−31 кг

mp

1,67 10−27

кг

h

6,63 10−34

Дж с

h 2π = =

1,05 10−34

Дж с

e

1,6 10−19 А с

h2 8π2k

40,27 10−47

кг м2 град

h2 8π2c

27,99 10−45

кг м

hc k

1,44 10−2

м град

Ангстрем

o

10−10 м

A

*) Число молекул в 1 м3 вещества, находящегося в состоянии идеального газа

при нормальных

условиях: температура –

T = 2930

K , давление –

 

 

 

0

 

p =10,13 104

кг м−1

с−2 =1 атм.

 

 

0

 

 

 

 

**) 1 Дж =1 Н м =1 кг м2 с− 2

109

П.2. Типовые индивидуальные задания контрольных работ

Первые вопросы:

1.

Вычислить интеграл ∫∞ (p3 −2 p +1) exp (− p2

2mθ)dp .

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Оценить с точностью до 0.01 интеграл

0∫.1 xα exp (−4x2 )dx ,

для α =1, α = 2 .

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

3.

Как изменится элемент площади dx dy

при переходе от переменных (x, y) к (u, v) , если

преобразование осуществляется по формулам

u = axey ,

v = bxy .

 

 

 

4.

Любое из

общего числа

N однотипных событий

реализуется с вероятностью

w .

Вероятность

одновременной

реализации k

таких событий

описывается

биномиальным

распределением W (k )= N !wk pN −k k!(N −k )! , p =1− w . Найти среднее

значение

 

и

k

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

N

дисперсию (∆k )2 . Указание: Воспользоваться тождеством (yw + p)N = ∑WN (k )yk .

 

k=0

5. Распределение случайной величины x задано функцией

f (x)= Ae−(x−2)2 . Найти

вероятность того, что значение случайной величины не превышает

x +0.1.

6.Показать, что распределение Пуассона ak e−a k! удовлетворяет условию нормировки.

7.Через какой промежуток времени следует менять все n транзисторов в приемнике, чтобы обеспечить его работу с вероятностью 0.90. Гарантийный срок службы транзисторов τ

часов, вероятность выхода из строя за время t любого из них p = tτ.

8.Показать, что для газа c весьма большим числом атомов справедливо соотношение exp (−ε)= exp (−ε), где ε – энергия атома.

9.Найти относительную флуктуацию абсолютной величины импульса и энергии молекулы идеального газа.

10.Определить среднюю ε и наиболее вероятную εmax энергию газа из N свободных атомов, помещенного в объем V , при температуре T . Объем фазового пространства описывается формулой Γ = constV N ε3N2 .

11.Найти при температуре T функцию состояний линейного гармонического осциллятора, энергия которого равна ε = hν(n +12), n = 0, 1, 2,... , и все уровни колебательной энергии

невырожденные.

12.Определить при температуре T функцию состояний частицы, движущейся со скоростью c , если ее энергия и импульс связаны соотношением ε = pc .

13.Энергия линейного осциллятора ε = p2 2m + æq2 2 , где p и q – обобщенные импульс и