Suma statystyczna: energia i pojemność cieplna układu dwupoziomowego
Przy bardzo niskiej temperaturze trudno wzbudzić ośrodek, a przy bardzo wysokiej obsady dwóch poziomów prawie przestają się zmieniać. Największa pojemność cieplna pojawia się pomiędzy tymi granicami. Wyprowadzimy jej przebieg ze stanów o energii 0 i Δ.
W tym materiale
Przy bardzo niskiej temperaturze trudno wzbudzić ośrodek, a przy bardzo wysokiej obsady dwóch poziomów prawie przestają się zmieniać. Największa pojemność cieplna pojawia się pomiędzy tymi granicami. Wyprowadzimy jej przebieg ze stanów o energii 0 i Δ.
Potrzebne wiadomości: Rozkład Boltzmanna, średnia ważona, pochodna, logarytm i niezależność statystyczna.
Co obejmuje model?
Mamy N rozróżnialnych, niezależnych ośrodków, na przykład ulokowanych w różnych miejscach. Każdy ma dokładnie dwa niezdegenerowane poziomy: 0 i Δ, gdzie Δ > 0. Różnicę energii i liczbę ośrodków utrzymujemy stałe. Układ wymienia energię z dużym zbiornikiem o dodatniej temperaturze T. Zaniedbujemy energię oddziaływania między ośrodkami.
Obliczymy tylko wkład tych dwóch poziomów. W prawdziwym materiale mogą występować dodatkowo drgania sieci, ruch cząstek i kolejne poziomy. Wyznaczonego tu C nie utożsamiamy wtedy bez sprawdzenia z całkowitą mierzoną pojemnością cieplną.
Suma wag jednego ośrodka i całego układu
Wprowadzamy β = 1/(kBT), o jednostce odwrotnej do energii. Sumę wag Boltzmanna nazywamy sumą statystyczną. Dla jednego ośrodka oznaczymy ją z:
z=1+e^{-\beta\Delta},\qquad p=\frac{e^{-\beta\Delta}}{1+e^{-\beta\Delta}}=\frac{1}{1+e^{\beta\Delta}}.
p jest prawdopodobieństwem wzbudzenia. Dla dwóch niezależnych ośrodków cztery stany mają energie 0, Δ, Δ i 2Δ. Ich wagi sumują się do 1 + 2e−βΔ + e−2βΔ = z². Powtarzając to rozumowanie, dla N ośrodków otrzymujemy Z = zN. Z i z są bezwymiarowe.
Średnia energia z wag albo z pochodnej
Energia jednego ośrodka wynosi 0 z prawdopodobieństwem 1 − p i Δ z prawdopodobieństwem p. Zatem średnia energia całego układu jest równa
U=\langle E\rangle=N\Delta p=\frac{N\Delta}{1+e^{\beta\Delta}}.
Ten sam wynik można uzyskać bez osobnego sumowania energii. Ponieważ pochodna exp(−βEi) względem β daje −Ei exp(−βEi), mamy ∂Z/∂β = −Z⟨E⟩. Podzielenie przez Z prowadzi do U = −∂ln Z/∂β. Pochodną liczymy przy stałych energiach poziomów. To przydatna metoda dla modeli z większą liczbą stanów.
Liczymy zmianę energii przy ogrzewaniu
Pojemność cieplna C ma jednostkę J/K i jest tutaj pochodną dU/dT przy stałym N i Δ. Wprowadźmy x = Δ/(kBT). Wtedy dx/dT = −x/T, a pochodna 1/(1 + ex) względem x jest ujemna. Dwa znaki minus się znoszą:
C=Nk_Bx^2\frac{e^x}{(1+e^x)^2}=Nk_Bx^2p(1-p).
Dla Δ/kB = 80 K i T = 40 K mamy x = 2, p ≈ 0,119203, U/(NkB) ≈ 9,5362 K i C/(NkB) ≈ 0,419974. Energia i pojemność cieplna nie są tym samym: pierwsza opisuje aktualną średnią, druga jej lokalne nachylenie przy zmianie temperatury.
Dlaczego krzywa ma maksimum?
Przy T → 0 czynnik exp[−Δ/(kBT)] tłumi wzbudzenia. Mimo dużego x² pojemność cieplna dąży do zera, bo funkcja wykładnicza maleje szybciej niż rośnie wielomian. Przy T → ∞ obsady dążą do 1/2, U do NΔ/2, a C również do zera. Zwiększanie temperatury prawie nie zmienia już średniej energii w tym ograniczonym modelu.
Maksimum nazywa się maksimum Schottky’ego. Różniczkując ln[C/(NkB)] = 2 ln x + x − 2 ln(1 + ex), otrzymujemy warunek
\frac2x+1-\frac{2e^x}{1+e^x}=0,\qquad x\tanh(x/2)=2.
Jego dodatnie rozwiązanie wynosi około 2,39936, czyli kBTmax/Δ ≈ 0,416778. Wysokość maksimum to około 0,439229 NkB. Jest to gładka krzywa niezależnych ośrodków, bez osobliwości i bez kolektywnej przemiany fazowej. Sam szczyt pojemności cieplnej nie dowodzi takiej przemiany.
Czy czterokrotnie większa temperatura zawsze daje czterokrotnie większą energię?
Nie. U = NΔ/(1 + exp[Δ/(kBT)]) nie jest proporcjonalne do T. Zależność U = const · T z klasycznej zasady ekwipartycji nie obowiązuje dla dowolnego układu dyskretnych poziomów. Wysoka temperatura w tym modelu prowadzi do nasycenia U, a w rzeczywistym materiale może ujawnić pominięte poziomy.
Zadania do tego tematu
- Mol ośrodków dwupoziomowych: energia i molowa pojemność cieplna
- Dwa ośrodki: sprawdź sumę statystyczną bez wzoru na potęgę
- Maksimum Schottky’ego jako pomiar różnicy energii
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto