Fizyka statystyczna/Fizyka fenomenologiczna

Fizyka statystyczna

Fizyka fenomenologiczna

Licencja
Autor: Mirosław Makowiecki Absolwent UMCS Fizyki Komputerowej Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie Email: miroslaw(kropka)makowiecki(małpa)gmail(kropka)pl Dotyczy: książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami. Użytkownika książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami nie zwalnia z odpowiedzialności prawnoautorskiej nieprzeczytanie warunków licencjonowania. Umowa prawna: Creative Commons: uznanie autorstwa, na tych samych warunkach, z możliwością obowiązywania dodatkowych ograniczeń. Autor tej książki dołożył wszelką staranność, aby informacje zawarte w książce były poprawne i najwyższej jakości, jednakże nie udzielana jest żadna gwarancja, czy też rękojma. Autor nie jest odpowiedzialny za wykorzystanie informacji zawarte w książce, nawet jeśli wywołaby jakąś szkodę, straty w zyskach, zastoju w prowadzeniu firmy, przedsiębiorstwa lub spółki bądź utraty informacji, niezależnie czy autor (a nawet Wikibooks) został powiadomiony o możliwości wystąpienie szkód. Informacje zawarte w książce mogą być wykorzystane tylko na własną odpowiedzialność.

Wykaz modułów w książce
1Fizyka fenomenologiczna 2Zasady termodynamiki fenomenologicznej 3Potencjały termodynamiczne 4Definicja różniczki entropii a jego zupełność 5Związki fizyki fenomenologicznej 6Wstęp do fenomenologicznych równań stanu 7Gazy doskonałe 8Gazy van der Waalsa 9Fenomenologiczna teoria przejść fazowych 10Przemiany fazowe 11Cykle (obiegi) termodynamiczne 12Wprowadzenie do fizyki statystycznej 13Statystyczna termodynamika 14Rozkłady klasyczne w fizyce 15Zespoły statystyczne w fizyce statystycznej klasycznej 16Zespół mikrokanoniczny 17Zespół kanoniczny (T,V,N,t) 18Wielki zespół kanoniczny (T,V,μ,t) 19Przykłady innych zespołów statystycznych kanonicznych w fizyce klasycznej 20Zespoły statystyczne w fizyce statystycznej kwantowej 21Statystyki w fizyce kwantowej 22Statystyki Boltzmanna, Fermiego i Bosego 23Model sieci krystalicznej Debye'a 24Cząstki o innych statystykach 25Idealne gazy kwantowe 26Fluktuacje i ruchy Browna

Spis treści
1Termodynamika 2Parametry termodynamiczne 3Granica termodynamiczna 4Procesy termodynamiczne

Następny rozdział: Zasady termodynamiki fenomenologicznej.

Podręcznik: Fizyka statystyczna.

Fizyka fenomenologiczna - jest to dział fizyki zajmującej się opisem pewnych układów, nie wnikając w przyczyny zjawisk, jakie zachodzą ("dlaczego tak się dzieje"), tylko opisując układ szeregiem równań. Zajmuje się opisem makroskopowym, w których używa się łatwo mierzalnych wielkości termodynamicznych, takich jak p- ciśnienie, T- temperatura, V -objętość, S- entropia.

Termodynamika

W fizyce, obserwatorzy mierzą świat używając różnych skal, mierząc czas i przestrzeń. Codziennie spotykamy świat makroskopowy mierzony w sekundach i metrach. Zmniejszając świat o dziesięć wielkości, mamy świat atomów i cząsteczek. Gdy świat zmniejszymy o kolejne dziesięć, to wtedy mamy świat kwarków. Gdy skalę będziemy zwiększać w odwrotnym kierunku, to wtedy będziemy opisywać kosmologię. Prawa fizyczne w skali najmniejszej są najbardziej fundamentalne. W skali jądra atomowego wiedza na temat kwarków nić nam nie mówi o budowie i na temat oddziaływania w jądrze atomowym. W zasadzie każdą skalę możemy opisywać fenomenologicznie, tzn. empirycznie.

Według doświadczenia każde ciało makroskopowe relaksuje się do stanu stacjonarnego.

Ten stan nazywamy stanem równowagi termodynamicznej. Po zmianie warunków zewnętrznych układ się zmienia i relaksuje się do nowego stanu równowagi (stanu stacjonarnego). Każde z ciał przebywa większość swojego czasu w stanie równowagi, przerywanym przez niemal natychmiastowe przejścia z jednego stanu do drugiego. Analizę zjawisk makroskopowych możemy podzielić na:

Termodynamika- jest to nauka o fenomenologicznej teorii stanów równowagi i przejść pomiędzy nimi.
Mechanika statystyczna- jest to wyprowadzenie zasad makroskopowych, z ich mikroskopowej analizy.
Teoria kinetyczna- jest to mikroskopowy opis pomiędzy stanami równowagi.

Parametry termodynamiczne

W fizyce fenomenologicznej wprowadza się zespół parametrów, które opisując badany układ, dzieli się na:

wielkości ekstensywne , które są wprost proporcjonalne do ilości materii w układzie
wielkości intensywne są niezależne od ilości materii w układzie

Typowy rozmiar ciał makroskopowych to: $L\simeq 1{\mbox{ }}m\;$ , a zasięg sił atomowych jest przedstawiany przy pomocy: $r_{0}=10^{-10}{\mbox{ }}m\;$ , a stosunek pomiędzy nimi: ${{L} \over {r_{0}}}=10^{10}\;$ . Właściwości ekstensywne są odzwierciedleniem jakie atom czuje zasięg sił atomowych, tak daleko, jak daleko one są dostępne. A intensywność oznacza, że atom nie czuje powierzchni, czyli kształtu i charakteru powierzchni. Podział na wielkości intensywne i ekstensywne pojawia się, gdy:

układ jest mały
układ posiada niejednorodny potencjał zewnętrzny
występują długo-zasięgowe oddziaływania – odpychanie Coulomba między cząstkami posiadających ładunki jednoimienne lub nawet przyciąganie grawitacyjne
geometria układu jest taka, że efekty powierzchniowe wpływają na własności całego układu

Granica termodynamiczna

Fizyka fenomenologiczna opisuje ciała makroskopowe, które w sposób wyidealizowany spełniają warunki:

N\rightarrow \infty \;

(1.1)

{{N} \over {V}}=\operatorname {const}

(1.2)

A w doświadczeniu liczba cząstek znajdujących się w układzie jest bardzo ogromna, prawie nieskończona wedle naszych wyobrażeń. Stan układu jest określony przez wiele parametrów termodynamicznych, jak na przykład przez wielkości ekstensywne: N - ilość cząstek, V - objętość układu, a także przez wielkości intensywne: p - ciśnienie układu wywierane na ścianki układu i T - temperatura ciała w stanie równowagi termodynamicznej, a także objętość molowa układu, która nie zależy od ilości cząstek w układzie. W układzie, gdy nie ma zewnętrznych potencjałów, rozkład ciśnienia jest jednorodny. Ciśnienie mierzy się w jednostkach ciśnienia atmosferycznego:

1{\mbox{ }}\operatorname {atm} =1,013\cdot 10^{5}{\mbox{ }}\operatorname {Pa} \;

(1.3)

Procesy termodynamiczne

Parametry stanu układu są opisane przez równanie poniżej, w której dwa dowolne parametry stanu są wielkościami niezależnymi, a pozostały zależy od poprzednich. Te trzy parametry można powiązać równaniem stanu w sposób uwikłany:

f(p,V,T)=0\;

(1.4)

Zmiana jednego parametru powoduje zmianę pozostałych. W fizyce fenomenologicznej zakłada się, że procesy fenomenologiczne przebiegając bardzo powoli, tzn. są to procesy quasistatyczne. Takie procesy są odwracalne, tzn. gdy by przebiegał on w odwrotnym kierunku, jeśli zewnętrzne warunki zostaną odwrócone, to układ powróci do stanu początkowego. W termodynamice posługujemy się innymi jednostkami energii niż $\operatorname {J} \;$ , a np. kalorie z definiowane: jest to ciepło jaką należy dostarczyć jednemu gramowi wody, by jego temperaturę podnieść z 14,5 °C do 15,5 °C, na podstawie tych rozważań dochodzimy do wniosku:

1{\mbox{ }}\operatorname {cal} \equiv 4,184{\mbox{ }}\operatorname {J} \;

(1.5)

W krajach anglosaskich używa się innej jednostki ciepła:

1{\mbox{ }}\operatorname {Btu} \equiv 1055{\mbox{ }}\operatorname {J} \;

(1.6)

Procesów nieodwracalnych nie da się przedstawić za pomocą żadnej linii w przestrzeni fazowej. Procesem nieodwracalnym jest na przykład nagłe rozprężanie gazu po usunięcia ścianki w pojemniku. W takim rozprężeniu ciepło nie jest wymieniane bo Δ Q=0, tylko energia na w sposób pracy, tzn. energia od układu jest dostarczana do otoczenia w postaci pracy objętościowej:

\delta W=-pdV\;

(1.7)

to praca wykonana przez układ jest całką z wyrażenia różniczkowego (1.7) na ściśle określonej drodze w przestrzeni fazowej od punktu A do B.

\Delta W=\int _{A}^{B}\delta W=-\int _{A}^{B}pdV\;

(1.8)