Fluktuace termodynamických veličin

Podobné dokumenty
Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

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

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

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

Mol. fyz. a termodynamika

9. Struktura a vlastnosti plynů

Vibrace atomů v mřížce, tepelná kapacita pevných látek

Cvičení z termodynamiky a statistické fyziky

Lekce 4 Statistická termodynamika

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

metoda je základem fenomenologické vědy termodynamiky, statistická metoda je základem kinetické teorie plynů, na níž si princip této metody ukážeme.

Náhodné (statistické) chyby přímých měření

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Chyby a neurčitosti měření

Fáze a fázové přechody

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

Kvantová a statistická fyzika 2 (Termodynamika a statistická fyzika)

ROZDĚLENÍ SPOJITÝCH NÁHODNÝCH VELIČIN

Úvod do problematiky měření

ÚVOD DO TERMODYNAMIKY

Termodynamika (td.) se obecně zabývá vzájemnými vztahy a přeměnami různých druhů

Vlastnosti odhadů ukazatelů způsobilosti

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

Řešené úlohy ze statistické fyziky a termodynamiky

TERMODYNAMIKA Ideální plyn TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY.

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

9 METODY STATISTICKÉ FYZIKY

PRAVDĚPODOBNOST A STATISTIKA

Charakterizace rozdělení

Kovy - model volných elektronů

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

Termodynamika a živé systémy. Helena Uhrová

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

Náhodné chyby přímých měření

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

Statistika. Teorie odhadu statistická indukce. Roman Biskup. (zapálený) statistik ve výslužbě, aktuálně analytik v praxi ;-) roman.biskup(at) .

X = x, y = h(x) Y = y. hodnotám x a jedné hodnotě y. Dostaneme tabulku hodnot pravděpodobnostní

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Pravdìpodobnostní popis

PSY117/454 Statistická analýza dat v psychologii přednáška 8. Statistické usuzování, odhady

Měření teplotní roztažnosti

Zákony ideálního plynu

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

Látka jako soubor kvantových soustav

Dobývání znalostí. Doc. RNDr. Iveta Mrázová, CSc. Katedra teoretické informatiky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2014

Statistická termodynamika

AVDAT Mnohorozměrné metody, metody klasifikace

Výběrové charakteristiky a jejich rozdělení

Regulační diagramy (RD)

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

Kapitoly z termodynamiky a statistické fyziky

Téma 22. Ondřej Nývlt

Definice spojité náhodné veličiny zjednodušená verze

4. Aplikace matematiky v ekonomii

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

P13: Statistické postupy vyhodnocování únavových zkoušek, aplikace normálního, Weibullova rozdělení, apod.

I Mechanika a molekulová fyzika

Statistická analýza dat v psychologii. Věci, které můžeme přímo pozorovat, jsou téměř vždy pouze vzorky. Alfred North Whitehead

PLYNNÉ LÁTKY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

Normální (Gaussovo) rozdělení

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

Všechno, co jste chtěli vědět z teorie pravděpodobnosti, z teorie informace a

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Pravděpodobnost a statistika, Biostatistika pro kombinované studium. Tutoriál č. 5: Bodové a intervalové odhady, testování hypotéz.

ÚVOD DO TEORIE ODHADU. Martina Litschmannová

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Elektroenergetika 1. Termodynamika a termodynamické oběhy

Fyzika - Sexta, 2. ročník

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Statistická analýza jednorozměrných dat

Dyson s Coulomb gas on a circle and intermediate eigenvalue statistics

KGG/STG Statistika pro geografy

3 Bodové odhady a jejich vlastnosti

Apriorní rozdělení. Jan Kracík.

9. T r a n s f o r m a c e n á h o d n é v e l i č i n y

Intervalové Odhady Parametrů

SPOJITÉ ROZDĚLENÍ PRAVDĚPODOBNOSTI. 7. cvičení

Úvod do teorie měření. Eva Hejnová

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

Chyby měření 210DPSM

Příklady ke zkoušce ze statistické fyziky

Termodynamika. T [K ]=t [ 0 C] 273,15 T [ K ]= t [ 0 C] termodynamická teplota: Stavy hmoty. jednotka: 1 K (kelvin) = 1/273,16 část termodynamické

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

2. Statistický popis plazmatu

8 Elasticita kaučukových sítí

Přednáška. Další rozdělení SNP. Limitní věty. Speciální typy rozdělení. Další rozdělení SNP Limitní věty Speciální typy rozdělení

Posouzení přesnosti měření

Rozdělení náhodné veličiny. Distribuční funkce. Vlastnosti distribuční funkce

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

MATEMATICKÁ STATISTIKA. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Vlastnosti pevných látek

Termodynamika. Děj, který není kvazistatický, se nazývá nestatický.

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

Úvod do teorie odhadu. Ing. Michael Rost, Ph.D.

Transkript:

Kvantová a statistická fyzika (Termodynamika a statistická fyzika Fluktuace termodynamických veličin Fluktuace jsou odchylky hodnot fyzikálních veličin od svých středních (rovnovážných hodnot. Mají původ ve statistické povaze termodynamických veličin. Praktický význam např.: šum v elektronických obvodech, omezení přesnosti měřicích přístrojů, způsobení přechodu systému z metastabilního stavu do stabilního. Pro posouzení velikosti fluktuací počítáme kvadratickou fluktuaci, ( L (L L L (L (hodnota je vždy kladná, má rozměr kvadrátu uvažované veličiny relativní fluktuaci, δ L ( L /L (bezrozměrná veličina. Hlavní výsledky:. obecně δ L / (plyne z centrální limitní věty. fluktuace energie v KA: ( E kc V T 3. fluktuace energie a počtu částic ve VKA: ( E kt T ( kt ( T,V 4. pravděpodobnost odchylek fyzikálních veličin od středních hodnot µ,v + kt µ ( T,V ; P (a const e W min kt ( T S p V const e kt ( ad : Centrální limitní věta: echť náhodná veličina x k má střední hodnotu µ a rozptyl σ. Je-li σ konečné a, pak náhodná veličina y k x k má rozdělení, které se blíží normálnímu rozdělení se střední hodnotou µ a rozptylem σ /. Z toho plyne relativní fluktuace veličiny y: δ y ad : Fluktuace vnitřní energie v KA: σ µ σ µ. E E n e βen Z (3 Z n Z β E E Z ne βen Z n Z β, (4 ( E Z Z β Z Z. (5 β

Protože dostáváme Ē β Z Z β Z β Z + Z β Z β, (6 ( E β kt T V (7 kt C V. (8 Př.: Ideální jednoatomový plyn: E 3 kt (9 C V 3 k (0 ( E kt C V 3 k T, ( ( E 3 δ E k T 3 E kt. ( 3 Pro jednu částici δe 3 8%, Pro jeden mol 03, δ E 0, neměřitelně malé. Př.: Debyeův krystal při nízkých teplotách (θ je Debyeova teplota: E 3 5 π4 k T 4 θ 3, (3 C V 5 π4 k T 3 θ 3, (4 E 5 π4 k T 5 θ 3, (5 3/ ; (6 δ E 5 3 5 ( θ π T pro T 0 K, θ 00K, 5 0 6 dostáváme δ E %, což je poměrně velká hodnota. ad 3: Fluktuace vnitřní energie a počtu částic ve VKA: Z e β(e n, µ e βe n, e βµ. (7 n n Protože Z β n e βe n, e βµ, (8 dostáváme Z βz ln Z. (9 β Podobně ze vztahu β Z n e βe n, e βµ, (0

dostáváme takže Z β Z, ( ( β. ( β,v Př.: Fluktuace počtu částic u ideálního jednoatomového plynu E n, p x + p y + p z +... + p z, (3 m Z e βµ V h 3... e βp n V e βµ πm 3/ m dpn! h 3 (4! β 0 [ (πm 3/ V e βµ ] [ (πm 3/ V e βµ ] β h 3 exp β h 3, (5 0 πm 3/ V e βµ ln Z β h 3, (6 πm 3/ V e βµ πm 3/ V e βµ β β h 3 β β h 3, (7, (8 β δ. (9 Př.: Fluktuace počtu bosonů a fermionů v daném kvantovém stavu n k e β(ek µ, (30 n k β ( β e β(e k µ eβ(ek µ ( β (3 x (x n x k (3 x ( x n k x ± n k ( ± n k, (33 x kde jsme použili x e β(ek µ a n k /(x a horní znaménko přísluší bosonům, kdežto dolní fermionům. Pro relativní fluktuaci počtu bosonů pak dostáváme δ nk (BE + (34 n k a pro fermiony δ nk (F D n k. (35 Podobně jako pro fluktuace počtu částic lze najít i vztah pro fluktuace energie: ( E kt + kt µ. (36 T µ,v 3 T,V

ad 4: Einsteinova (kvazitermodynamická teorie fluktuací Vycházíme z Boltzmannova principu: S(E, V,, a k ln W, (37 kde a představuje nějaký další parametr specifikující určitý stav (např. počet částic v nějakém podsystému a W je celkový počet mikrostavů, které tomuto stavu odpovídají. Pokud jsou parametry E, V, dané, může nás zajímat, s jakou pravděpodobností se bude realizovat stav s hodnotou parametru a. Taková pravděpodobnost bude tedy P (a W (E, V,, a k W (E, V,, a k, (38 P (a e S(E,V,,a k. (39 echť a a + a, kde a je hodnota parametru a při maximální entropii (rovnovážná hodnota a a je výchylka z rovnovážné hodnoty. Protože v rovnováze je entropie i pravděpodobnost maximální, platí P a aa 0 (viz obr.. Pro pravděpodobnost výchylky a můžeme psát P(a a* a Obrázek : Hustota pravděpodobnosti pro parametr a. ( P (a [ C exp S(E, V,, a + a S(E, V,, a ], (40 k kde Dostáváme tak S(a + a S(a + ( S a a. (4 aa P (a Ce S k a a Ce S k. (4 ěkdy je výhodné vyjádřit tento výsledek pomocí minimální práce W min, která je nutná k přenesení systému z rovnovážného stavu do stavu s parametrem a (viz obr., S S W min W min T, (43 takže P (a Ce W min kt. (44 4

S W min a* S a /T E Obrázek : Entropie a vnitřní energie pro rovnovážné (body na křivce a nerovnovážné stavy (body pod křivkou. Do nerovnovážného stavu s parametrem a se může systém dostat z některého rovnovážného stavu mnoha způsoby; v krajních případech beze změny vnitřní energie snížením entropie, nebo beze změny entropie (adiabaticky zvýšením vnitřní energie (vykonáním práce na systému. Protože pro rovnovážné stavy platí ( S V T, platí přibližně T S W min. Př.: Uvažujme dvě tělesa, každé s tepelnou kapacitou C V s teplotami T a T. Určete hustotu pravděpodobnosti přechodu z rovnovážného stavu do tohoto stavu. Jiný přístup: uvažujme dva podsystémy - označené indexy 0 a. Dohromady tvoří celek o neměnném objemu a konstantní vnitřní energii. Objem a vnitřní energie každého podsystému ovšem může fluktuovat. Pro celkovou změnu entropie dostáváme S S 0 + S, T 0 S 0 E 0 + p 0 V 0 E p 0 V, (46 S ( E + p 0 V + S, (47 T 0 E S + V + ( E S V S S + E S V + E S V V V (48 T 0 S p 0 V + ( E S + E S V + E S V V V, (49 takže pro celkovou změnu entropie dostáváme S T 0 S [( T0 S S + T 0 V V ( p S V + p ] S V V S T 0 ( T S p V. (5 Pro hustotu pravděpodobnosti pak platí (index nyní přestaneme používat (45 (50 p V T S P (α Ce kt 0. (5 Zvolíme-li za nezávislé termodynamické proměnné V a T, pak s využitím vztahů S C V T, (53 T V S p (54 V T T V 5

dostáváme [ P ( V, T C exp kt z čehož dostáváme pro fluktuace teploty a objemu p V C ] V V T kt T, (55 T kt, (56 C V V V kt, (57 p T T V 0. (58 6