Mol ośrodków dwupoziomowych: energia i molowa pojemność cieplna
Mol niezależnych ośrodków ma dwa niezdegenerowane poziomy 0 i Δ, przy czym Δ/kB = 120 K. Temperatura wynosi T = 120 K/ln 3. a) Oblicz prawdopodobieństwo wzbudzenia i średnią energię całego mola. b) Oblicz molową pojemność cieplną przy stałym Δ. c) Do jakiej wartości dąży średnia energia mola przy T → ∞? Przyjmij R = NAkB = 8,31446 J/(mol·K).
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Tu exp[Δ/(kBT)] = 3. W energii mola iloczyn NAΔ możesz zapisać jako R(Δ/kB).
Rozwiązanie
Obsada górnego poziomu
Mamy x = ln 3, więc p = 1/(1 + 3) = 1/4. Temperatura wynosi około 109,23 K. Nie jest równa 120 K; ta druga liczba opisuje skalę różnicy energii Δ/kB.
Energia mola
Jeden ośrodek ma średnio energię Δ/4. Dla jednego mola U = (1 mol) · NAΔ/4 = R · 120 K · (1 mol)/4 = 30 R · K · mol, czyli około 249,43 J. R jest molową stałą gazową używaną tu wyłącznie jako NAkB; nie zakładamy gazu doskonałego.
Pochodna, nie iloraz U/T
C_m=R(\ln3)^2\frac14\frac34=\frac{3R(\ln3)^2}{16}\approx1{,}88159\,\mathrm{J/(mol\cdot K)}.
Dla próbki jednomolowej C ma tę samą wartość liczbową, ale jednostkę J/K. Nie liczymy C jako U/T: energia nie jest tu liniową funkcją temperatury. Wzór na C dotyczy lokalnej zmiany U przy niezmienionym odstępie poziomów.
Granica wysokiej temperatury
Obsady dążą do 1/2 i 1/2. Średnia energia mola dąży do (1 mol) · NAΔ/2 = 60 R · K · mol ≈ 498,87 J. To dwa razy więcej niż w podanej temperaturze. Nie dochodzi do (1 mol) · NAΔ: w dodatniej temperaturze równowagowej wszystkie ośrodki nie zajmują górnego poziomu. Wartość (1 mol) · NAΔ jest energią skrajnej konfiguracji, nie graniczną średnią dla T → ∞.
Powiązana teoria
Suma statystyczna: energia i pojemność cieplna układu dwupoziomowego
Dalsza lektura
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
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