Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Ähnliche Dokumente
Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre Othmar Marti.

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Grundlagen der Physik II

Grundlagen der Physik II

Repetitorium QM 1 - Tag 5

Grundlagen der Physik II

Übungen zu Moderne Theoretischen Physik III SS Maxwell-Verteilung: (30 Punkte, schriftlich)

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Grundlagen der Physik II

2 Mikrokanonische Definition der Temperatur

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre Othmar Marti.

Moderne Theoretische Physik IIIa WS 18/19

Moderne Theoretische Physik III (Theorie F Statistische Mechanik) SS 17

Grundlagen der Physik II

Moderne Theoretische Physik III (Theorie F Statistische Mechanik) SS 17

Grundlagen der Physik 1 Mechanik und spezielle Relativität

Physik 1 für Ingenieure

Klausur zur Statistischen Physik SS 2013

Klassische und Relativistische Mechanik

Theorie der Wärme Musterlösung 11.

Kapitel 3. Statistische Definition der Entropie. 3.1 Ensemble aus vielen Teilchen

Grundlagen der Physik 1 Mechanik und spezielle Relativität

Übungsblatt 05. PHYS1100 Grundkurs I (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt) Othmar Marti,

Übungen zu Theoretische Physik IV

Statistische Physik - Theorie der Wärme (PD Dr. M. Falcke)

Das Ideale Gas Kinetische Gastheorie (auf atomarer Ebene)

Klassische und relativistische Mechanik

Physikalische Chemie Physikalische Chemie I SoSe 2009 Prof. Dr. Norbert Hampp 1/9 1. Das Ideale Gas. Thermodynamik

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

4.5 KLASSISCHE FLÜSSIGKEITEN 85

Physik 1 für Ingenieure

Mode der Bewegung, Freiheitsgrade

Aufgabenblatt zum Seminar 02 PHYS70357 Elektrizitätslehre und Magnetismus (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt, Nebenfach Physik)

Übungsblatt 03. PHYS3100 Grundkurs IIIb (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt) Othmar Marti,

Experimentalphysik I : Mechanik und Wärmelehre WS 2010/11 Prof. Dr. J. Winter

Onsagersche Gleichung. Energetische Beziehungen

Kapitel 5. Kanonisches Ensemble. 5.1 Herleitung 1; E 1 =? 2; E 2 =?

Thermodynamik (Wärmelehre) III kinetische Gastheorie

Dem Wettstreit zwischen beiden Bestrebungen trägt die Freie Energie Rechnung (bei konstanter Temperatur und konstantem Volumen).

Experimentalphysik E1

Brahe Kepler. Bacon Descartes

Paarverteilungsfunktion und Strukturfaktor Seminar: Weiche Materie

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 13. April 2016 HSD. Energiespeicher. Thermodynamik

1 Massenwirkungsgesetz

2. Thermodynamik Grundbegriffe Hauptsätze Thermodynamische Potentiale response -Funktionen

Übungsblatt 2 ( )

Physikdepartment. Ferienkurs zur Experimentalphysik 4. Daniel Jost 10/09/15

Vorlesung Statistische Mechanik: N-Teilchensystem

1. Wärmelehre 2.4. Die Freiheitsgrade eines Gases. f=5 Translation + Rotation. f=7 Translation + Rotation +Vibration. Wiederholung

Proseminar: Theoretische Physik. und Astroteilchenphysik. Fermi- und Bose Gase. Thermodynamisches Gleichgewicht

Entropie. Einführung in grundlegende Begrie und formale Herleitung. Alexander Erlich. B. Sc. Physik, 4.

Erreichte Punktzahlen: Die Bearbeitungszeit beträgt 3 Stunden.

3. Thermodynamik Thermodynamik für Flüssigkeiten Thermodynamik für magnetische Systeme

Brownsche Bewegung Seminar - Weiche Materie

4 Thermodynamik mikroskopisch: kinetische Gastheorie makroskopisch: System:

Hochschule Düsseldorf University of Applied Sciences. 20. April 2016 HSD. Energiespeicher Wärme

Klausur-Musterlösungen

2 Die mikrokanonische Gesamtheit

Resultate der Quantisierung der Schrödingergleichung in zwei Dimensionen.

Allgemeines Gasgesetz. PV = K o T

Physik 1 für Ingenieure

Erinnerung: Intensive, extensive Größen

f) Ideales Gas - mikroskopisch

Übungen zu Moderne Theoretischen Physik III SS Curie-Paramagnetismus ( =30 Punkte, schriftlich)

6. Boltzmann Gleichung

5. Boltzmann - Statistik

Übungsblatt 03 Grundkurs IIIb für Physiker

Prüfungsklausur - Lösung

Die Carnot-Maschine SCHRITT III. Isotherme Kompression bei einer Temperatur T 2 T 2. Wärmesenke T 2 = konstant. Nicolas Thomas

22. Entropie; Zweiter Hauptsatz der Wärmelehre

Thermodynamik I - Übung 10. Nicolas Lanzetti

Theoretische Physik 25. Juli 2013 Thermodynamik und statistische Physik (T4) Prof. Dr. U. Schollwöck Sommersemester 2013

Aufgaben zur Experimentalphysik II: Thermodynamik

Physik 1 für Ingenieure

Repetition Carnot-Prozess

13.5 Photonen und Phononen

2 Grundbegriffe der Thermodynamik

Erreichte Punktzahlen: Die Bearbeitungszeit beträgt 3 Stunden.

2. Thermodynamik Grundbegriffe Hauptsätze Thermodynamische Potentiale response -Funktionen

Übungsblatt 13 Physik für Ingenieure 1

E = w + q. kein Perpetuum Mobile der 1. Art (also: keine Maschine verrichtet Arbeit ohne Brennstoff) de = dw + dq de = 0

6.2 Zweiter HS der Thermodynamik

Zur Erinnerung. Stichworte aus der 14. Vorlesung: Grenzflächenphänomene: Oberflächenspannung. Grenzflächenspannung. Kapillarität

6.2 Temperatur und Boltzmann Verteilung

Übungen zur Nichtgleichgewichtsthermodynamik Blatt 5 Lösungen

Thermodynamik un Statistische Mechanik

E 3. Ergänzungen zu Kapitel 3

Kapitel 4. Thermodynamisches Gleichgewicht zwischen zwei Systemen. 4.1 Systeme im thermischen Kontakt 1; E 1 =? 2; E 2 =?

Übungsblatt 06. PHYS1100 Grundkurs I (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt) Othmar Marti,

Übungsblatt 06. PHYS4100 Grundkurs IV (Physik, Wirtschaftsphysik, Physik Lehramt) Othmar Marti, oder 3. 6.

x x 2 + y + 2y 2 y x 2 + y = 2 (x 2 + y 2 ) 2 = 0, (x,y) =r

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre

Statistische Physik - Theorie der Wärme (PD Dr. M. Falcke)

Thermodynamik und Statistische Mechanik

Musterlösung Klausur Physikalische Chemie I: Thermodynamik

Dozent: Alexander Shnirman Institut für Theorie der Kondensierten Materie

P ( x + ) = φ(x)dx. P (0 x < cm) =

1. Wärme und der 1. Hauptsatz der Thermodynamik 1.1. Grundlagen

Transkript:

Grundlagen der Physik 2 Schwingungen und Wärmelehre Othmar Marti othmar.marti@uni-ulm.de Institut für Experimentelle Physik 14. 06. 2007 Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 1 / 20

Auskünfte aus erster Hand gibt nur die Natur selbst. Sie ist also zu befragen, will man nicht zeitlebends am Krückstock von Autoritäten humpelnd lernen. Roger Bacon, Mönch zu Oxford, 13. Jh. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 2 / 20

Klausur Die Klausur ndet am 26. Juli 2007 von 9:00-11:00 im Hörsaal H2 (eventuell auch H14) statt 1. Hilfsmittel: 6 Seiten (3 Blätter) A4 von eigener Hand beschrieben, Taschenrechner. Bemerkung: Diese Klausurnote kann zur Befreiung der Studiengebührenzahlung führen! 1 Klausur Grundlagen 1 wird am 26. 7. 2007 am Nachmittag geschrieben. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 3 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Ideales Gas Wir betrachten N Moleküle eines monoatomaren Gases. Im allgemeinsten Fall setzt sich die Gesamtenergie aus der kinetischen Energie der Teilchen und der gegenseitigen Lageenergie (potentielle Energie) der Teilchen zusammen. E = E kin + E pot Die Anzahl Zustände zwischen E und E + δe sind Ω (E, E + δe) = 1 h 3N 0 E+δE E... d 3 r 1d 3 r 2... d 3 r N d 3 p 1... d 3 p N Dies sind 6N Integrale über den gesamten Phasenraum des Systems. Wir haben die Abkürzungen d 3 r i = dx i dy i dz i und d 3 p i = dp ix dp iy dp iz verwendet. Bei einem idealen Gas ohne gegenseitige Wechselwirkung ist E pot = 0. Deshalb ist das Integral über die Raumkoordinaten einfach das Volumen Othmar Marti zur (Universität N-tenUlm) Potenz. Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 4 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Ideales Gas E+δE... d 3 r 1... d 3 r N = N E+δE d 3 r i = V N E Die Integrale über die Impulse dürfen, bei einem idealen Gas, nur von der gesamten kinetischen Energie E kin abhängen. E χ (E kin ) = E+δE... d 3 p 1... d 3 p N Damit erhalten wir E Ω (E, E + δe) = ω(e)δe = h 3N 0 V N χ (E kin ) Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 5 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Ideales Gas Aus der Mechanik ist bekannt, dass die gesamte kinetische Energie sich als Summe der kinetischen Energien der einzelnen Teilchen schreiben lässt: 2mE kin = N 3 i=1 α=1 Dies ist die Bestimmungsgleichung einer 3N-dimensionalen Kugel. Diese Kugel hat den Radius R(E kin ). Die Anzahl Zustände zwischen 0 und E hängt dann vom Radius R dieser Kugel ab und ist proportional zu φ (E) R f p 2 iα Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 6 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Ideales Gas Da E p 2 ist, gilt auch φ (E) (2mE) f 2 In der Kugelschale zwischen E und E + δe liegen Ω (E, E + δe) E f 2 1 = E 3N 2 1 Zustände. Hier haben wir verwendet, dass die Anzahl Freiheitsgrade f = 3N ist. Damit ist die Anzahl Zustände im Energiebereich zwischen E und E + δe durch Ω (E) = BV N E 3N 2 gegeben. B ist dabei konstant und unabhängig von V und E. Das Resultat für Ω (E) ist abhängig von δe. Es wird sich jedoch zeigen, dass der Einuss von δe für messbare thermodynamische Grössen nicht relevant ist. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 7 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Zustandsanzahl bei (ir-)reversiblen Prozessen Ω i = Ω f reversibler Prozess Ω i < Ω f irreversibler Prozess Tabelle: Unterscheidung von reversiblen und irreversiblen Prozessen Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 8 / 20

2. Hauptsatz Zustandsdichte des idealen Gases Zeitskalen τ t exp Das System ist im Gleichgewicht Statistik gilt τ t exp Das System kann durch gedachte Beschränkungen Statistik gilt im Gleichgewicht gehal- ten werden τ t exp Nichtgleichgewicht Schlamassel Tabelle: Gültigkeit der statistischen Beschreibung abhängig von der Zeitkonstante τ Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 9 / 20

Systeme im Kontakt Skizze zweier thermodynamischer Systeme A und A im Kontakt. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 10 / 20

Systeme im Kontakt Der Satz von der Energieerhaltung verlangt, dass E = E 0 E Ω 0 (E, E + δe): Anzahl Zustände des Gesamtsystems A 0 zwischen E und E + δe. Statistische Unabhängigkeit Die Wahrscheinlichkeit des Zustandes Ω 0 des Gesamtsystems ist p (E) = CΩ 0 (E) = Ω 0 (E) Ω 0, tot Dabei ist C eine noch unbekannte Konstante und Ω 0, tot die Gesamtzahl aller möglicher Zustände summiert über alle Energien. Ω 0 (E) = Ω (E) Ω (E 0 E) p (E) = CΩ (E) Ω (E 0 E) Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 11 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Breite der Verteilungsfunktion Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 12 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Für p(e) gilt: E Ẽ Begründung: Ω E f Ω E f Daraus folgt für den Logarithmus von p ln p f ln E + f ln (E 0 E) + const Dabei existieren die folgenden Grenzwerte E = 0 ln p = E = E 0 ln p = E = E 0 2 ln p = (f + f ) ln E 0 2 + const Maximum Das Maximum von p ist sehr viel schärfer als das Maximum von ln p. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 13 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Wie gross ist Ẽ? Diese Grösse kann über die Ableitung berechnet werden. ln p E = 1 p p E = 0 Es gilt aber p (E) = CΩ (E) Ω ( E ) Damit und mit = E E E E = E erhalten wir 0 = ln p E = [ ln C + ln Ω (E) + ln Ω ( E )] E ln Ω (E) = ln Ω (E ) E E Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 14 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Wir setzen und erhalten im Gleichgewicht β (Ẽ β = ln Ω E ) = β ( Ẽ ) mit Ẽ = E 0 Ẽ. Dieses β(e) ist eine Funktion von E und hat als Einheit [β] = 1 J. Andererseits wissen wir, dass auch die Temperatur eine Funktion der Energie, nämlich der inneren Energie U ist. Wir denieren: k T (U) = 1 β (U) Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 15 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Dabei ist k die Boltzmannkonstante und T (U) die Temperatur. Mit der (zuerst rein formalen) Denition der Entropie bekommt man und damit 1 T S = k ln Ω = kβ = k ln Ω U 1 T = S U S heisst Entropie. Ihre Einheit ist [S] = [ J K ]. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 16 / 20

Breite der Verteilungsfunktion S = k ln Ω ist die statistische Denition der Entropie In unserer Herleitung hängt die Anzahl der Zustände Ω und die Entropie S immer noch von der konstanten Breite des Energieintervalls δe ab. Gleichung Gleichung (7) zeigt, dass β unabhängig von δe ist. Nehmen wir an, dass das Energieintervall von δe auf δ E wechselt. Da die Zustandsdichten gleich sind(ω(e) = ω (E)), gilt auch Ω (E) = Ω(E) δe δ E und damit S = k ln Ω = S + k ln ( ) δ E. Nun hat aber S/k die Grössenordnung f und ln ( δ E δe ) δe liegt irgend wo bei einem Wert kleiner 100, so dass in sehr guter Näherung gilt: S = S. Damit ist auch die Entropie unabhängig von der Wahl von δe. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 17 / 20

Breite der Verteilungsfunktion Der wahrscheinlichste Zustand unserer beiden thermodynamischen Systeme im Kontakt ist gegeben durch S + S = Maximum Diese Gleichung folgt aus der Bedingung, dass die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes nur zunehmen, nicht aber abnehmen darf. Weiter wissen wir von früher, dass die Temperaturen auch gleich sein müssen. T = T Aus der statistischen Physik kann man ableiten: Im Gleichgewicht zweier thermodynamischer Systeme sind ihre Temperaturen gleich und die gesamte Entropie S maximal. Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 18 / 20

Spielkarten und Entropie 52 Karten gibt es Ω = 52! 8 10 67 mögliche Anordnungen. Die Ausgangssituation hatte Ω = 1 möglichen Zustand. Nach dem Mischen der Karten hat die Entropie um ( ) p S = k ln 156 k = 2.2 10 21 J K zugenommen. p 1 Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 19 / 20

Mischen zweier Substanzen Wir mischen den Inhalt einer Kiste mit 10 13 weissen Sandkörnern mit dem Inhalt einer Kiste mit 10 13 schwarzen Sandkörnern. Die Wahrscheinlichkeit vorher ist p 1 = 2 N = 2 1013. Nach dem Mischen ist die Wahrscheinlichkeit des Zustandes p 1. Die Entropie nimmt beim Mischen um ( ) ( ) p 1 S = k ln = k ln = k ln (2 n ) = kn ln 2 10 13 k 9.5 10 11 J K p 1 2 N Othmar Marti (Universität Ulm) Schwingungen und Wärmelehre 14. 06. 2007 20 / 20