Lekce 4 Statistická termodynamika

Podobné dokumenty
Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

Lekce 9 Metoda Molekulární dynamiky III. Technologie

Termodynamika v biochemii

Obsah PŘEDMLUVA...9 ÚVOD TEORETICKÁ MECHANIKA...15

Fluktuace termodynamických veličin

Statistická termodynamika

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

Počítačové simulace a statistická mechanika

Laserová technika prosince Katedra fyzikální elektroniky.

Singulární charakter klasické limity

Od kvantové mechaniky k chemii

POŽADAVKY KE STÁTNÍ ZÁVĚREČNÉ ZKOUŠCE MAGISTERSKÉ STUDIUM POČÍTAČOVÉ MODELOVÁNÍ VE VĚDĚ A TECHNICE (NAVAZUJÍCÍ STUDIUM I DOBÍHAJÍCÍ 5-LETÉ STUDIUM)

Statistická termodynamika (mechanika)

Princip metody Transport částic Monte Carlo v praxi. Metoda Monte Carlo. pro transport částic. Václav Hanus. Koncepce informatické fyziky, FJFI ČVUT

Mikro a nano vrstvy. Technologie a vlastnosti tenkých vrstev, tenkovrstvé sensory - N444028

dq = 0 T dq ds = definice entropie T Entropie Při pohledu na Clausiův integrál pro vratné cykly :

Fyzika I. Něco málo o fyzice. Petr Sadovský. ÚFYZ FEKT VUT v Brně. Fyzika I. p. 1/20

Tento dokument je doplňkem opory pro studenty Přírodovědecké fakulty Univerzity Jana Evangelisty Purkyně.

9 METODY STATISTICKÉ FYZIKY

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

metodou Monte Carlo J. Matěna, Gymnázium Českolipská, Praha

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

Časové řady, typy trendových funkcí a odhady trendů

2. Statistický popis plazmatu

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

FYZIKÁLNÍ CHEMIE I: 2. ČÁST

Zkušební otázky pro bakalářské SZZ Fyzika, Fyzika pro vzdělávání, Biofyzika

Zkušební otázky pro bakalářské SZZ Fyzika, Fyzika pro vzdělávání, Biofyzika

8 Elasticita kaučukových sítí

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Molekulární dynamika vody a alkoholů

5.1 Základní teoretické pojmy a formalismus statistické

Molekulové modelování a simulace

Kvantová mechanika ve 40 minutách

01MDS.

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

z ruštiny, Kvasnicova monografie Statistická fyzika [7] z roku 1983, která je sice skvělým zdrojem

Úvod do ekonofyziky Vladimír Sirotek SEK,

4 Term ika. D ůsledky zavedení tep lo ty a tep la Stavová r o v n i c e Stavová rovnice termická a kalorická

ELEMENTÁRNÍ ÚVOD DO STATISTICKÉ FYZIKY

Úvod do molekulové dynamiky simulace proteinů. Eva Fadrná

Mezimolekulové interakce

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

Složitost živých systémů. D. Lukáš 2015

Termika a molekulová fyzika Teplota a její měření: nultý termodynamický zákon, teploměry, empirická, absolutní a termodynamická

Molekulové modelování a simulace

Cvičení z NOFY / Termodynamika. 1 Cvičení Totální diferenciál. 1.1 Totální diferenciál Teplota a tlak pro ideální plyn

Molekulové modelování a simulace

Apriorní rozdělení. Jan Kracík.

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

2. Entropie a Informace. Gerstnerova laboratoř katedra kybernetiky fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Krystalizace, transformace, kongruence, frustrace a jak se to všechno spolu rýmuje

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

Okruhy k maturitní zkoušce z fyziky

6 PŘEDNÁŠKA 6: Stav kvantového systému, úplná množina pozorovatelných. Operátor momentu hybnosti a kvadrátu momentu hybnosti.

102FYZB-Termomechanika

Nekovalentní interakce

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

Nekovalentní interakce

H = 1 ( ) 1 1. dostaneme bázi označovanou často znaménky plus a minus:

2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE V PROSTORU Vektory Úlohy k samostatnému řešení... 21

Charakterizace rozdělení

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŽENÝRSTVÍ cvičení 11

Kapitola 8: Dvojný integrál 1/26

Požadavky ke státní závěrečné zkoušce pro obor Učitelství fyziky pro SŠ

Bayesovské metody. Mnohorozměrná analýza dat

Pravdìpodobnostní popis

Úvod do laserové techniky

Nerovnovážné systémy Onsagerova hypotéza, fluktuačně disipační teorém

Dyson s Coulomb gas on a circle and intermediate eigenvalue statistics

Fáze a fázové přechody

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Řešené úlohy ze statistické fyziky a termodynamiky

Tepelně aktivovaná deformace

Vybrané podivnosti kvantové mechaniky

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Molekulový počítačový experiment

Úvodní informace. 17. února 2018

Maturitní otázky z předmětu FYZIKA

MUDRstart - Intenzivní přípravný kurz na medicínu. Brno, Praha, Bratislava, Ostrava

Téma 2 Simulační metody typu Monte Carlo

Síla a významnost asociace mezi proměnnými v systému

Téma 3: Metoda Monte Carlo

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

Stanovení forem, termínů a témat profilové části maturitní zkoušky oboru vzdělání M/01 Strojírenství STROJÍRENSKÁ TECHNOLOGIE

PŘEDMLUVA. Praha, prosinec Anatol Malijevský

Vlastnosti odhadů ukazatelů způsobilosti

Počet atomů a molekul v monomolekulární vrstvě

Molekulární dynamika polymerů

Požadavky ke státní závěrečné zkoušce pro obor učitelství fyziky pro SŠ

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Šíření tepla. Obecnéprincipy

Stanovení forem, termínů a témat profilové části maturitní zkoušky oboru vzdělání M/01 Technické lyceum STROJNICTVÍ

Téma 1: Spolehlivost a bezpečnost stavebních nosných konstrukcí

Téma 22. Ondřej Nývlt

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Poznámky k cvičením z termomechaniky Cvičení 3.

Elektronový obal atomu

Transkript:

Lekce 4 Statistická termodynamika Osnova 1. Co je statistická termodynamika 2. Mikrostav, makrostav a Gibbsův soubor 3. Příklady Gibbsových souborů 4. Souborové střední hodnoty 5. Časové střední hodnoty 6. Příklady výpočtů termodynamických veličin 7. Počítačová simulace ve statistické termodynamice

Co je statistická termodynamika Dva přístupy k okolnímu světu makroskopický (termodynamika) mikroskopický (atomová hypotéza, mechanika) termodynamika mechanika = termodynamické veličiny (T,P,V,U atd) stavové rovnice termodynamické věty = částice a interakce, mezi nimi pohybové rovnice Existuje mezi těmito odlišnými přístupy nějaká souvislost? Ano! Statistická termodynamika. Statistická termodynamika je metoda statistického (pravděpodobnostního) popisu mnohočásticových systémů sjednocující mechanický a termodynamický pohled.

Mikrostav, makrostav a Gibbsův soubor Klasický popis mikrostav: makrostav: [ r, p,, r, p ] 1 1 A1,, An (makroskopické parametry) Zadáním makrostavu není mikrostav systému určen jednoznačně, zadána je jen distribuce pravděpodobnosti výskytu systému ve všech dostupných mikrostavech: ρ ( r, p,, r, p ; A, A ) 1 1 1 n Množina všech mikrostavů definuje stavový (fázový) prostor studovaného systému (Φ) + a jeho makrostav můžeme tedy ztotožnit s jistým zobrazením ρ : Φ 0.

Mikrostav, makrostav a Gibbsův soubor Kvantový popis mikrostav: makrostav: ψ i = ˆρ( A,, A ) P ( A,, A ) ψ ψ 1 n i 1 n i i i (matice hustoty) Mikrostav je tedy čistý stav a makrostav stav smíšený. Gibbsův soubor Soubor velkého (nekonečného) počtu identických systémů, z nichž a) každý je v zadaném makrostavu (stejný pro všechny systémy) b) a v jistém mikrostavu (obecně různé mikrostavy pro různé systémy). Jedná se tedy o konkrétní model pravděpodobnostní interpretace makrostavu.

Příklady Gibbsových souborů Jednotlivé Gibbsovy soubory odlišujeme podle volby makroskopických parametrůa1,, A,V,E : mikrokanonický;,v,t : kanonický; µ,v,t : grand-kanonický;,p,t; µ,p,t atd. Kanonický soubor ρ H ( rk, pk ; V ) K, K ;, exp ( r p V T ) Ĥ( V ) ˆρ exp V dalším se omezíme většinou na kanonický Gibbsův soubor a vždy na klasický (nekvantový) popis.

Souborové střední hodnoty Termodynamické veličiny mechanická (mikroskopická) veličina : termodynamický protějšek : b = b( rk, pk ) Postulát (most mezi termodynamikou a mechanikou) kde ρ Γ ( ) b( rk, pk ) ( rk, pk ; A1,, An ) d A1,, An = b, ρ( r, p ; A,, A ) dγ 1 3 3 3 3 dγ = d r 3 1 d p1...d r d p h 1 3 3 3 3 dγ = d r 3 1 d p1...d r d p!h K K 1 n (rozlišitelné částice) (identické částice) Souborové střední hodnoty pro různé soubory lim b = lim b = atd. b b atd. + VE + VT VE VT

Souborové střední hodnoty Fluktuace termodynamických veličin 2 2 2 2 σ ( b) = ( b b ) = ( b ) = 2 b( rk, pk ) ρ( rk, pk ; A1,, An )dγ ρ( r, p ; A,, A )dγ K K 1 n Fluktuace v makroskopických systémech Pro Gibbsovy soubory všech typů platí ( ) 2 lim = 0 2 0 / 1 +

Časové střední hodnoty Alternativa k souborovým středním hodnotám časové střední hodnoty: - jeden systém - časový vývoj [ r = r ( t ), p = p ( t )] K K K K Postulát (jiný most mezi termodynamikou a mechanikou) t0 +τ 1 = τ + τ b lim b( rk ( t ), pk ( t )) d t. t 0 Podmínka τ + znamená, že měření provádíme dostatečně dlouho (často stačí τ 9 6 10 10 s). Souvislost se souborovými středními hodnotami lim b = lim b b b ( b = b ) VE VE J = 0, VE + +

Příklady výpočtů termodynamických veličin (Předpoklady: klasický model, kanonický soubor, identické částice.) Stavová suma H ( pk, rk ; V ) Z ( V, T ) exp d Γ, 6 1 3 3 3 3 P K kde dγ = d 3 1 rd p1 d r d p a H ( pk, rk, V ) = + W ( rk, V ).! h 2M K = 1 Platí 3 2 2 1 2πħ W ( rk, V ) 3 3 Z = exp d r1 d r.! M 3 Konfigurační integrál W ( rk, V ) 3 3 Q ( V, T ) exp d 1 r d r 3

Příklady výpočtů termodynamických veličin Volná energie F ( V, T ) = ln Z ( V, T ) Entropie F ln Z ( V, T ) S ( V, T ) = = k ln Z ( V, T ) + T T V Vnitřní energie U ( V, T ) = F + TS = 6 H ( pk, rk ; V ) H ( pk, rk ; V )exp d Γ H ( pk, rk ; V ) exp d 6 Γ W ( rk ; V ) W ( rk ; V ) exp d 3 3 Γ U ( V, T ) = + 2 W ( rk ; V ) exp d 3 Γ

Příklady výpočtů termodynamických veličin Tepelná kapacita 1 U 1 1 c V T U H T 2 2 (, ) = σ ( ) Tlak (viriálová stavová rovnice) ( /, ) P V T W ( rk, V ) 3 3 W exp d r1 d r 1 2 3 F = = V V T V 3 V W ( rk, V ) 3 3 exp d r1 d r 3 kde W = 1 W rk. 2 r K = 1 K

Počítačová simulace ve statistické termodynamice Souborové střední hodnoty mnohonásobné integrály metody Monte Carlo Časové střední hodnoty pohybové rovnice a následná integrace metody molekulární dynamiky

Doporučená literatura J. KVASICA Statistická fyzika Academia, Praha 1998 T. OULÍK Statistická termodynamika Academia, Praha 1996