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

Метода термодинамика(практика)

.pdf
Скачиваний:
305
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

70

Магнитный момент единицы объема электронного газа пропорционален разности между числом электронов, имеющих параллельную («+») и антипараллельную («–») ориентацию магнитного момента по отношению к

направлению

напряженности

магнитного

поля

M e = µe (∆n+ − ∆n− )=

= µe C (eµeH kT −e− µeH kT ).

Здесь

использованы выражение

для энергии

магнитного момента в

магнитном поле U ± = ± µe H и

формула Больцмана

∆n± = C e− U ± kT .

Коэффициент пропорциональности C находим из очевидного

равенства ∆n+ + ∆n− = nkT εF .

Подстановка его в исходную формулу дает

M e = (µenkT εF )th (µe H kT ).

Поскольку

µe H << kT ,

то

M e = χeH H =

= (µe2n εF )H , χeH = µe2n εF .

 

 

 

 

6.7 Задачи и упражнения для самостоятельной работы

6.1. Вычислить энтропию газа Ферми при низкой температуре.

6.2. Найти температурную зависимость Cp −CV при T → 0 для

вырожденного электронного газа, энтропия которого обращается в нуль по закону ~ T .

6.3. В квантовой механике показывается, что двумерный

гармонический

осциллятор обладает уровнями энергии εn = hν(n +1) , где

n = 0, 1, 2,.... В

отличие от линейного состояния плоского осциллятора оказываются (n +1) – кратно вырожденными. Вычислить энергию системы, состоящей из N независимых двумерных гармонических осцилляторов.

6.4.Показать, что при низкой температуре разность Cp −CV у кристаллов становиться весьма малой.

6.5.Получить формулу Планка для теплового излучения в среде, у которой показатель преломления n(ν) зависит от частоты.

6.6.Получить уравнение состояния электронного газа при абсолютном нуле температуры.

6.7.Найти функцию состояний, энтропию и свободную энергию системы из N независимых линейных осцилляторов с энергией εn = hνn , где n = 0, 1,..., ∞.

6.8.Вычислить характеристическую температуру для колебательного движения молекулы HCl , если собственная частота колебаний молекулы

71

ν= 0.875 1014 Гц ( k =1.38 10− 23 Дж/град., h = 6.62 10− 34 Дж.сек.).

6.9.Оценить скорость звука в алмазе, зная, что его дебаевская температура

θD =18600

o

K, а постоянная решеткиd =1.54 A .

6.10.Определить число столкновений за единицу времени электронов со стенкой сосуда, в котором находится электронный газ при абсолютном нуле температуры.

6.11.Найти распределение интенсивности I ( j, T ) спектральных линий во

вращательном спектре газа из двухатомных молекул и ее максимум. Считать, что I ( j, T ) пропорциональна относительному числу молекул с εj = kTв j( j +1) ,

а температура T намного выше характеристической температуры Tв вращательного движения T >>Tв .

6.12. Площадь антенны радиолокатора S =10 м2. Его приемное устройство регистрирует сигналы в полосе частот dν =1 МГц на частоте ν1 =10 ГГц.

Температура Солнца Tc = 60000 K, квадрат отношения радиуса Солнца к радиусу орбиты Земли ξ = 2.17 10− 5 . Оценить мощность шумового сигнала, когда антенна направлена на Солнце.

6.13.Вычислить полное число фотонов N в объеме V и найти уравнение адиабаты фотонного газа.

6.14.Найти теплоемкости CV и Cp равновесного излучения.

6.15.Найти относительную заселенность колебательных уровней энергии

молекулы газа εn = hν(n +12) с n = 0; 1; 4 при температуре T =Tk 2 и T =Tk , где Tk – характеристическая температура колебательного движения.

6.16. Определить молекулярную энтропию вращательного и колебательного движений газообразной окиси углерода CO при T = 6000 K. Равновесное

o

расстояние между ядрами r =1.128 A , их частота колебаний ν = 6.5 1013 с-1.

Масса молекул mC =12 , mO =16 в а.е.м. (а.е.м. =1.66 10− 24 г).

72

7.ТЕОРИЯ МАЛЫХ ФЛУКТУАЦИЙ

7.1.Общие положения

Ф л у к т у а ц и и – самопроизвольные отклонения термодинамических параметров от их значений в равновесном состоянии макроскопической системы. Флуктуация означает переход системы из наиболее вероятного состояния в менее вероятное. В изолированной системе такой процесс (например, изменение локальной плотности молекул) связан с уменьшением энтропии. Для изучения отклонений выделяют внутри тела какую-либо его малую часть или подсистему и определяют флуктуации термодинамических величин, относящихся к этой подсистеме. Система в целом предполагается столь большой, что ее параметры (например, объем V0 , температура T0 , давление p0 и др.) можно считать постоянными, отвечающими их средним значениям. В подавляющем большинстве конкретных задач (малые флуктуации в больших системах) флуктуационные процессы описываются вероятностью

неравновесных состояний

 

 

dw (L) , средней

квадратичной

флуктуацией

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

−(

 

)2 , и

 

 

 

 

 

 

 

(L −

 

)2

 

 

 

 

 

(∆L)2

относительной

флуктуацией

(дисперсией)

 

≡

 

L2

 

L

L

δL =

 

 

 

 

 

 

называют масштабом флуктуации.

(∆L)2

L . Величину

 

(∆L)2

7.2. Вероятность неравновесных состояний.

Пусть энтропия и какой-либо внутренний параметр равновесной замкнутой системы равны S0 и x0 . В неравновесном состоянии они принимают значения S и x . Вероятность, что данная замкнутая система попадает в это состояние, определяется формулой Больцмана (5.6):

dw(x) = const e[S ( x)−S0 ( x0 )] k dx = const e∆S k dx ,

(7.1)

где постоянная находится из условия нормирования.

Для вычисления вероятности неравновесного состояния квазизамкнутой системы ее рассматривают как малую часть замкнутой системы. Состояние такой подсистемы характеризуется некоторым внешним (по отношению

подсистема + термостат) параметром λ.

При переходе из равновесного в

неравновесное состояние наряду с

λ

( λ0 → λ) изменяются и

73

термодинамические параметры подсистемы. Предполагается, что такие переходы квазистатические, т.е. термодинамические величины в подсистеме связаны обычными равновесными соотношениями. Причиной нарушения равновесного состояния принято считать действие внешнего источника, который совершает работу над подсистемой ∆W (λ) , связанную с величиной отклонения ∆λ = λ −λ0 . Поскольку термостат и подсистема вместе составляют замкнутую систему, к ним применима формула (7.1). Суммарное изменение их энтропии при вышеуказанных допущениях определяет вероятность (плотность вероятности) неравновесного состояния квазизамкнутой системы

dw(λ) = w(λ) dλ,

(7.2)

w(λ) = const e− ∆W (λ) kT0 .

(7.3)

Отсюда следует, что мера вероятности малых флуктуаций в макроскопической системе есть работа, которую нужно над нею совершить для изменения параметра λ, характеризующего ее состояние, на величину ∆λ. Для термодинамических величин однородной системы в термостате с равновесными значениями давления p0 , температуры T0 она равна

∆W (λ) = ∆E + p0 ∆V −T0 ∆S ,

(7.4)

где ∆E , ∆V , ∆S – флуктуации внутренней энергии, объема и энтропии системы. Флуктуации отдельных термодинамических величин в общем случае зависят друг от друга. Считая причиной изменения внутренней энергии флуктуации ∆S и ∆V , представляют ∆E рядом до величин второго порядка малости. С учетом (5.5) в равновесном состоянии слагаемые в ∆W (λ) , пропорциональные первому порядку малости, равны нулю, а плотность вероятности

w(λ) = w(λ0 )exp{−(∆S ∆T − ∆p∆V ) 2kT}.

(7.5)

Обобщенные термодинамические параметры λ0 соответствует равновесным значениям. В (7.5) флуктуации двух из четырех термодинамических параметров можно рассматривать как независимые. Выбирая в качестве таковых ∆p и ∆S ,

выражения для двух других имеют вид

 

∆V = (∂V ∂ p)S ∆p + (∂V ∂S )p ∆S ,

(7.6а)

∆T = (∂T ∂ p)S ∆p + (∂T ∂S )p ∆S .

(7.6б)

Для независимых ∆V и ∆T

 

74

 

∆p = (∂p ∂V )T ∆V +(∂p ∂T )V ∆T ,

(7.7а)

∆S = (∂S ∂V )T ∆V + (∂S ∂T )V ∆T .

(7.7б)

Подставляя (7.6) или (7.7) в (7.5), получаем для плотностей w(∆p, ∆S) или w(∆V , ∆T ) двумерные гауссовы (нормальные) распределения. Поскольку пары

∆p , ∆S и ∆V , ∆T независимы, то корреляционные моменты ∆p ∆S и

∆V ∆T обращаются в нуль. Если флуктуации каких-либо параметров ∆Λj , ∆Λk

взаимно зависимы, то степень этой зависимости отражает коэффициент (радиус) корреляции

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

(∆Λj )2

 

r∆Λj , ∆Λk =

 

 

 

 

 

(∆Λk )2

(7.8)

 

∆Λj ∆Λk

 

Устойчивым является такое состояние системы, когда она находится в равновесии с окружающей средой. При этом его вероятность w(λ) имеет

максимум, когда λ = λ* ,

где λ*

–

наиболее

вероятное

значение (для

макросистем λ*

 

= λ0 ).

Поэтому

при

любых

отклонениях

от равновесия

λ

обязано выполняться неравенство

 

 

 

 

 

 

 

∆T ∆S − ∆p ∆V > 0 .

 

(7.9)

При постоянном значении одного из параметров в первом слагаемом (T или S ), либо – во втором ( p или V ), имеют место неравенства ∆p ∆V < 0 и ∆T ∆S > 0 . Следствием их есть частные условия (критерии) устойчивости

равновесия (см. разд. 6)

 

 

Cp > 0 ;

CV > 0 ;

(7.10)

(∂ p ∂V )S < 0 ;

(∂ p ∂V )T < 0 .

(7.11)

7.3. Флуктуации термодинамических величин в однородной среде

Выбрав в качестве независимых переменных объем V , температуру T и используя (7.7), находим из (7.5) плотность вероятности их флуктуаций

 

(∂ p ∂V )

T*

∆V 2 −(C T )∆T 2

 

 

 

 

V

*

 

 

w(∆V , ∆T ) = w(V*, T* ) exp

 

 

 

 

.

(7.12)

 

 

2kT*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Она определяется через произведение двух независимых сомножителей, поэтому корреляция между величинами T и V отсутствует ∆V ∆T = 0 . Из

75

сравнения (7.12) с функцией Гаусса следуют значения среднеквадратичной флуктуации

(∆T )2 = kT 2 C ;

 

(∆V )2 = −kT (∂V ∂ p) .

(7.13)

*

 

V

*

 

T*

 

Поскольку плотность среды

из N

частиц массы m зависит от её

объема

ρ* = mN* V* , то из (7.13) находится дисперсия плотности при N = const :

 

(∆ρ)2 = m2

 

= − ρ*2 kT* (∂V ∂ p)

 

 

 

(∆(N V ))2

T

V*2 .

(7.14)

 

 

 

 

 

*

 

 

Если считать, что флуктуации плотности среды обусловлены изменением числа частиц в постоянном объеме, то, согласно (7.14), дисперсия числа частиц равна

(∆N )2

=

−N 2kT

(∂V ∂ p)

 

V 2 .

(7.15)

 

 

*

 

T*

 

 

7.4. Флуктуации в токовых приборах

Электрические флуктуации в токовой аппаратуре приводят к шумовому «фону». Этот «фон» кладет предел чувствительности измерительной (приемной) аппаратуры: при одиночном измерении интенсивность принимаемого сигнала должна быть выше, чем интенсивность фона в приемнике. Шумовые токи обусловлены наложением двух независимых флуктуационных эффектов: флуктуация числа электронов в токопроводящих

элементах аппаратуры (проводниках,

электронных лампах, транзисторах) –

д р о б о в о й

э ф ф е к т

или ш у м

Ш о т т к и ;

хаотическое изменение

скорости электронов

вдоль

проводников –

т е п л о в о й

или

д ж о н с о н о в с к и й шум.

 

 

 

 

 

 

Дисперсия

дробового

тока

зависит от среднего значения тока

 

 

,

 

I

определяемого через дисперсию числа электронов, которые проходят проводник за время t0 :

(∆I Д )2 = e2 (∆n)2 t02 = e2 n t02 = e I t0 .

(7.16)

Каждый электрон, перемещаясь со средней скоростью вдоль проводника, создает импульс тока длительностью, равной времени пролета (или средним временем его существования). Импульсы тока отдельных электронов случайны в том понимании, что случаен момент их возникновения.

Для определения реакции цепей и приборов, подключенных к проводнику, на дробовой шум переходят к спектральному представлению импульса тока

76

(разложение Фурье). Считая импульс тока длительностью t0 прямоугольным,

находится

полоса

частот, в

которой дробовой шум отличен от нуля

∆ f Д =1 2t0 .

Если

максимумы

спектральной чувствительности устройства

f <<1t0 , то шум определяется мощностью его пропущенных спектральных составляющих в частотной полосе устройства. В общем случае от частотной полосы пропускания устройства ∆ f зависит дисперсия тока дробового шума

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(∆I Д )2 = 2eI ∆ f .

(7.17)

Прохождение случайного тока по проводнику с сопротивлением R вызывает на

нем случайное напряжение и потери мощности

 

 

 

= R2

 

 

= 2eIR2 ∆ f ,

 

 

(∆U Д )2

 

(∆I Д )2

(7.18а)

 

 

 

 

P =

(∆I Д )2

R = 2eIR ∆ f .

(7.18б)

Полоса частот ∆ fT т е п л о в ы х

шумов зависит от промежутка времени τ

между столкновениями ∆ fT =12τ. Это время очень мало ( ~ 10−12 c ), и спектр теплового шума практически равномерен от нулевой до весьма высоких частот ~ 1τ (диапазон ММ длин волн). Дисперсия теплового тока равна

(∆IT )2 = 4kT ∆ fT R .

Учет полосы пропускания прибора ∆ f приводит к формулам Найквиста для

дисперсии тока, напряжения и мощности потерь.

 

 

 

(∆IT )2 = 4kT ∆ f

 

 

 

R ;

(∆UT )2

= 4kTR ∆ f ;

P = 4kT ∆ f .

(7.19)

7.5. Примеры решения задач

 

 

 

П р и м е р

1 . Найти вероятность и средний

квадрат

флуктуации

(дисперсию) давления p и энтропии S в однородной системе.

 

 

Р е ш е н и е .

Для

однородной системы вероятность

флуктуации

описывается формулой (7.5). Поскольку в качестве независимых переменных выбраны p и S , то изменение объема ∆V и температуры ∆T находим через изменения ∆S и ∆p по формуле (7.6). Тогда работу, связанную с изменением ∆S и ∆p , можно представить в виде

77

∆W (∆S, ∆p) = (∆S ∆T − ∆p ∆V ) 2 = {∆S (T Cp )∆S + (∂T∂ p)S ∆p −

 

 

 

= {(T CP )(∆S)

 

−(∂V ∂ p)S

(∆p)

} 2 .

−∆p (∂V ∂ p)S ∆p +

(∂T ∂ p)S ∆S } 2

2

 

 

 

 

 

2

 

Здесь использовано

 

перекрестное

соотношение

 

(∂V ∂S )p

= (∂T ∂ p)S .

Подставляя ∆W (∆S, ∆p)

в (7.5), находим плотность вероятности ∆S и ∆p :

w(∆S, ∆p) = w(S0 , p0 ) e− ∆W kT0 ~ exp(((∂V ∂ p)S ∆p2 −(TCp )∆S 2 )2kT0 ).

Это выражение распадается на множители, зависящие либо от ∆p , либо от ∆S . Поэтому флуктуации энтропии и давления статистически независимы, ∆p ∆S = 0 . Сравнение каждого из множителей с распределением Гаусса определяет средние квадраты флуктуаций (∆p)2 = −kT0 (∂ p ∂V )S , (∆S)2 = k Cp .

П р и м е р 2 . Определить коэффициент (радиус) корреляции флуктуаций объема и давления в однородной среде, в которой независимо меняются температура и объем.

Р е ш е н и е . Так как T и V независимы, то ∆V ∆T = 0 , а из (7.7а) следует

 

 

∆V = (∂ p

∂V )T

(∆V )

 

.

∆p ∆V = (∂ p

∂V )T ∆V +(∂ p ∂T )V ∆T

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку, согласно

(7.13), (∆V )2 = −kT (∂V ∂ p) , то

 

 

= −kT . Это

∆p ∆V

 

 

T

 

 

 

 

 

 

означает, что флуктуации давления и объема являются зависимыми. Поскольку

(∆p)2 = −kT (∂ p ∂V )

S

(пример 1),

то степень зависимости рассматриваемых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

флуктуаций описывается радиусом корреляции

 

 

r

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

= C C

 

 

 

 

 

∆p ∆V

 

 

 

(∆p)2

 

(∆V )2

p

.

∆p, ∆V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

П р и м е р 3 . В однородной системе происходят случайные взаимно независимые небольшие отклонения объема и температуры от их равновесных значений. Найти дисперсию ее внутренней энергии.

Р е ш е н и е .

Т.к.

 

 

независимые

 

 

переменные

–

V

и

T , то

∆E (V , T ) = (∂E ∂V )T ∆V +(∂E ∂T )V ∆T .

Из

основного

термодинамического

равенства

(∂E ∂V )T

= −p +T (∂S ∂V )T = −p +T (∂ p ∂T )V .

После

возведения

исходного

соотношения

в

квадрат

 

и его

усреднения

имеем

 

2

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(∆E)

 

 

 

2

 

2

 

.

 

 

 

 

 

 

= T

(∂ p ∂T )V − p

(∆V )

 

+CV (∆T )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

78

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя

вместо

 

и

 

 

 

 

их

значения

(7.13),

(∆V )2

 

 

 

(∆T )2

 

получаем(∆E)

2

= −kT

 

 

 

 

 

2

 

(∂V

∂

p)T

 

 

 

 

T (∂ p ∂T )V

− p

 

 

−CVT .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р и м е р 4 . Каждый электрон, проходя внутри проводника путь l за время t0 , создает импульс тока постоянной амплитуды A и длительности t0 . Число импульсов в единицу времени есть случайная величина (дробовой эффект). Оценить полосу частот, в которой дробовой шум отличен от нуля.

Р е ш е н и е . Выбирая начало отсчета времени посередине импульса тока, его временную зависимость представим в виде

A,

−t0 2 ≤ t ≤ t0 2,

P(t) =

0,

t > t 2.

 

 

0

Отсюда следует его спектральная плотность

S (ω) = (12π) t0∫2 Ae−i ωt dt = At0 sin (ω t0 2) (πω t0 ) .

− t0 2

Энергия спектральной составляющей частоты ω пропорциональна квадрату модуля спектральной плотности, т.е.

S (ω) 2 =(At0 2π)2 sin2 (ω t0 2) (ω t0 2)2 .

Она достигает максимума при нулевой частоте и, убывая с ростом абсолютного

значения частоты, равна

нулю

на частотах ωn = 2πn t0 ,

n = ±1, ± 2,....

Практически вся энергия

сосредоточена в интервале частот

ω−1 ≤ ω≤ ω1 .

Заменим реальную функцию

 

S (ω)

 

2

прямоугольником, высота которого равна

 

 

S(0) 2 , а ширина выбирается такой, чтобы площадь его равнялась площади под кривой S (ω) 2 . Учитывая, что физический смысл имеют только

положительные значения частоты, обозначим ширину прямоугольника через 2 ∆ωД . Тогда

∞

∞

((sin2 y) y2 )dy = 2π S(0) 2 t0 .

2 ∆ωД S(0) 2 = ∫

S (ω) 2 dω= (2 S(0) 2 t0 ) ∫

− ∞

− ∞

 

∞

Здесь использовано равенство ∫ ((sin 2 y) y)dy = π. Поэтому полоса частот, где

− ∞

дробовой шум отличен от нуля, равна ∆ωД = πt0 или ∆ f Д =12t0 .

79

Устройство, подключенное к шумящему проводнику, реагирует не на все частоты, содержащиеся в спектре дробового шума. Пусть частотная полоса устройства вблизи частоты f0 , отвечающая максимуму спектральной

чувствительности, равна ∆ f = ( f+ − f− )2 , где f± = f0 ± ∆ f . Если она намного меньше 12t0 и 12t0 > f+ , то полоса частот дробового шума перекрывает всю полосу частот устройства. И для расчета предельной чувствительности устройства справедливы формулы (7.17)-(7.18). В противном случае, f− >12t0 , дробовой шум приемное устройство не воспринимает.

П р и м е р 5 . Среднее число частиц в системе, имеющей диффузионный

контакт

 

с

термостатом,

дается формулой n = kT ∂(ln Z) ∂µ,

где

функция

состояния

(большого

канонического

 

 

ансамбля Гиббса)

 

имеет

 

вид

Z = ∑∑e−(εi n −µn) kT Ω(εin ) ,

 

 

µ –

химический

потенциал.

Доказать,

что

i n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(∆n)2 = kT ∂n ∂µ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р е ш е н и е .

Исходя из определения

 

, вычисляется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kT ∂n ∂µ = kT kT ∂[∂(ln Z)

∂µ]

∂µ = (kT )2 ∂[∂(ln Z) ∂µ]

∂µ =

 

 

 

 

 

 

 

= (kT )

 

((kT )

 

= (kT )2 Z (∂2Z ∂µ2 )−(∂Z ∂µ)2 Z 2 =

∂µ]

= n

 

 

− n

 

.

 

 

Z )∑∑n

 

e

 

 

Ω(εin ) −(kT )

 

[kT ∂(ln Z)

 

 

 

 

2

 

 

−2

 

 

2

 

− (εin −µn)

kT

 

 

 

 

−2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

i n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку (∆n)2 = n2 − n2 , то справедливо (∆n)2 = kT (∂n ∂µ).

7.6.Задачи и упражнения для самостоятельной работы.

7.1.Найти масштаб флуктуации скорости макроскопического тела в произвольном направлении относительно среды. Масса тела равна M , а температура T .

7.2.Определить дисперсию тепловой функции (∆H )2 при независимых изменениях давления p и энтропии S .

7.3.Найти радиус корреляции флуктуации температуры и давления в однородной среде, где независимо изменяются объем и температура.

7.4.Найти радиус корреляции флуктуаций объема и энтропии идеального газа при переменных значениях температуры и объема.