Главная » Просмотр файлов » Müller I. A history of thermodynamics. The doctrine of energy and entropy

Müller I. A history of thermodynamics. The doctrine of energy and entropy (1185104), страница 45

Файл №1185104 Müller I. A history of thermodynamics. The doctrine of energy and entropy (Müller I. A history of thermodynamics. The doctrine of energy and entropy.pdf) 45 страницаMüller I. A history of thermodynamics. The doctrine of energy and entropy (1185104) страница 452020-08-21СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 45)

And indeed, Einstein let himself be inspired by Bose’spaper. He followed it up with two papers of his own which he read in July1924 and January 1925 to the Preußische Akademie der Wissenschaften.38In these papers Einstein develops the novel theory of degenerate gases, i.e.ideal gases at low temperature and large density, which I proceed todescribe.Of course, S = klnW had to be retained, because of its inherentplausibility, and neither Bose nor Einstein touched that relation. But therealization of a distribution, and the distribution itself, were modified, andso was W. As before, cf. Insert 4.6, we concentrate on the infinitesimalelement dxdc at (x,c) in (x,c)-space where we havePdxdcN dxdcY dxdc¦ N xcf ( x , c ) dx d c No. of cells in dxdc No.

of atoms in dxdc.PdxdcThe new distribution in dxdc is given by the set{plxc} = {p0xc,p1xc,...pdxc}which represents the number of cells which are occupied by 0,1,…d atoms.Obviously the values plxc must satisfy the constraintsd¦ pldxcPdxdcandl 0¦ lpxclN dxdc .l 0A realization of this distribution is given by {Nxc}, the number of atomssitting in the individual cells (x,c) in dxdc. Thus by the rules of combinatorics the number of realizations of the distribution {plxc} is equal toWxcPdxdc !d–pl 037xcl. Hence!S xc dxdck lnPdxdc !d–pxcl!l 0S.N.

Bose: “Planck’s Gesetz und Lichtquantenhypothese.” [Planck’s law and thehypothesis of light quanta] Zeitschrift für Physik 26 (1924).38 A. Einstein: “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases.” [Quantum theory of amonatomic ideal gas] Sitzungsberichte physikalisch mathematische Klasse, September1924 pp. 261–267.A. Einstein: “Quantentheorie des einatomigen idealen Gases II” [Quantum theory of amonatomic ideal gas. II] Sitzungsberichte physikalisch mathematische Klasse, February1925 pp. 3–14.1906 Third Law of Thermodynamicsis the entropy of the atoms in the element dxdc, andSk ln –xcPdxdc !d–pxcl!l 0is the total entropy of the gas, where·is the product over all elementsxcdxdc of the space (x,c).This new form of entropy lacks the inherent perspicuity of Boltzmann’sentropy, because the relation to Ndxdc, or to the distribution function f(x,c) isnot explicit. However, for fermions such an explicit relation does exist, andfor bosons it does exist in local equilibrium, where there is no knowledgeabout Nxc in dxdc except about the average value which isN xcN dxdc.PdxdcIn those cases the entropy may be written in the formSË k Ô Ì lnfÍ Y“Y ÈfØ Èf ØÛÉÊ1 B ÙÚ ln ÉÊ1 B ÙÚ Ü fdcdxYY Ýffermionsbosons.This is the proper form of the entropy in a monatomic gas; the expressiongeneralizes Boltzmann’s relationfS k ³ ln fdcdx with b eY ,bfound – by accident or luck, as it were – in the kinetic theory of gases, cf.

Chap. 4.And it coincides with Boltzmann’s form, if the difference between fermions andbosons, i.e. the ± - alternative, becomes unimportant. This happens for f/Y<<1 orN dx dcN xc 1 i.e. for sparse occupancy of each element dxdc. 39PdxdcThis observation is eminently plausible because, if there is much less than one atomper element dxdc on average, it makes no difference whether the atom is a fermionor a boson, since even a double occupancy of a cell practically does not occur, letalone higher occupancies.Obviously S in terms of the distribution function f is a non-equilibriumentropy in general.

In a closed adiabatic gas, i.e. for a fixed number N ofatoms and for a fixed energy U, we expect S to tend to a maximum Sequ inequilibrium. The calculation provides39 Recallthat for Boltzmann it was a matter of course, that Nxc was greater than 1. In fact, ithad to be big enough that the Stirling formula could be applied.Classical LimitYexp[ kT f equPgPc22 kT191fermions,bosons]r1where g is the specific Gibbs free energy, and T the temperature, of course.This expression replaces the Maxwellian distribution function in a degenerate gas , i.e. a gas for which the quantum effects – evidenced by the± – alternative – make themselves felt. The thermal and caloric equationsof statep2U3Vp N ,TV andg N ,TVgare given implicitlyNV4SY2P3fx 2 dxU³o exp[ kTPg kTx2 ] r 1 , V4SY2P3fx 4 dx³0 exp[ kTPg kTx2 ] r 1 ,and the equilibrium entropy Sequ readsT Sequ = – Nµg + 5/3 U.Classical LimitThe Boltzmann limit occurs – just like in the non-equilibrium case – whenthe ±-alternative for the fermions and bosons does not matter, i.e.

forPgkT  1. In that case we havepNµ3kT and withVY3h :µgkT3ËN ÈØ Ûhln Ì ÉÙ Ü.Ì V Ê 2πµ kT Ú ÜÍÝIt follows that the classical limit is the one, in which an element of phasespace of the dimension of a typical thermal de Broglie wavelength, seeabove, contains practically no particle. In contrast, degeneration thereforeappears as the state, where the particles are so dense, or the temperature isso low, that the de Broglie wavelengths overlap.Note that for particles with a small mass the de Broglie wavelength is big. It is forthat reason that even at room temperature – and even for a few thousand K – theelectron gas in a metal is strongly degenerate, – also of course, because the electronNdensity /V is large.1926 Third Law of ThermodynamicsFor the non-degenerate state the equilibrium entropy has the formSequ3ÎËN ÈØ Û ÞÑhÑ5Nk Ï ln Ì ÉÙ Üß .2VÌ2kTπµÊÚ ÝÜ ÑÑÐÍàThat value is entirely explicit! Thanks to Bose’s choice Y = µ3/h3 there isno unknown constant.

The expression provides the absolute value of theentropy for a rarefied ideal gas. Hence, by integration over cp(T,p)/T – andsummation of latent heats divided by the temperatures of their occurrence –downward to lower temperatures, one may obtain the absolute value ofentropy of liquids and solids at absolute zero, or as close as we can getthere.If one proceeds with that integration – after having made all those caloricmeasurements – one obtains the value zero for entropy in most cases andthus confirms Planck’s extension of the third law of thermodynamics.Sometimes, however, the value zero is not obtained. That seems to happenonly when the solid phase is amorphous, – rather than crystalline – so thatthe third law must be qualified: the entropy at absolute zero for amorphoussolids is not zero. Handbooks record the value as the zero point entropy.Full Degeneration and Bose-Einstein CondensationThe opposite of the classical limit – the limit of full degeneracy – isdifferent for fermions and bosons.FermionsFor fermions the limit is characterized byf equ­Y®¯0PgkTc2  g.1 c2 ! g21for!! 1 so that2At low temperature all atoms tend to assemble at zero kinetic energy, butthat desirable state cannot be achieved, since each velocity can only beassumed by just one atom.40 Therefore the atoms do the next best thing andfill all states with the lowest velocities.

N and U are given by40Actually, two atoms may assume the same velocity, if they have different spins.Full Degeneration and Bose-Einstein Condensation3NVUV2 1 3/ 24π Ygandµ 319332 1 5/ 24π Yg ,µ 5so that the energy is large, but the entropy vanishes.BosonsFor bosons – with the lower sign – we must realize that the biggest value ofg must be g = 0, lest negative values of the distribution function appear.Therefore g = 0 andf equYcexp[ 2µkT] 12characterize the Bose case of full degeneracy. The properties of thedistribution are much as expected, because it implies that there are lessparticles with larger speeds.

However, there is a problem, since fequ issingular for c = 0: To be sure, the values of N/V and p = 2/3 U/V are finite,namely41NVY232πµk35kÈ 3ØÈ 5ØT ζ É Ù and p Y 2π T ζ É Ù ,ÊÚÊ 2Ú2µµbut there is something strange. Indeed N/V and p are functions of T only, acircumstance that we have come to expect as an equilibrium condition forsaturated vapour coexisting with a boiling condensate.That observation may serve as a hint that the equation for the number Nof atoms is incorrect, because N cannot possible depend on T. And indeed,the equation holds only for the number of particles with c  0, while N0, thenumber of particles with c = 0, has somehow slipped through the(Riemann)-integration, although its density is singular.

Therefore the N/V –equation must be rewritten asN 0 YVNAnd, if YV2µ32µ32πk3È 3ØT ζÉ Ù .Ê 2Úµ32π µk T ζ ( 32 ) is the number of particles in the vapour, N0is the number of particles in the condensate. One says: The N0 particles with4135ζ ( /2) and ζ ( /2) are values of the Riemann zeta function which occurs in the integration ofthe distribution function for g = 0.1946 Third Law of Thermodynamicsc = 0 form the Bose-Einstein condensate.42 For T ĺ 0 there will be moreand more condensate, whose entropy is zero. The entropy of a Bose gas forfull degeneracy vanishes therefore for T ĺ 0.The observed decomposition of liquid helium into a normal fluid and asuper-fluid is often seen to be a reflection of the Bose-Einsteincondensation.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
2,68 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6418
Авторов
на СтудИзбе
307
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее