Thông tin tài liệu
Hướng dẫn Bài tập Vật lý thống kê – Thống kê cổ điển
Bài 1. Dùng phân bố chính tắc Gibbs, thiết lập các phân bố sau đây (các dạng khác của
phân bố Maxwell) :
Xác suất để vận tốc của một hạt của hệ có các thành phần vận tốc ở trong khoảng :
( , ),( , ),( , )
x x y y z z
v v dx v v dy v v dz
Xác xuất để độ lớn vận tốc của một hạt của hệ nằm trong khoảng
( , )v v dv
.
Xác suất để động năng của một hạt của hệ có giá trị nằm trong khoảng
( , )d
Sử dụng các kết quả trên tính các giá trị trung bình sau :
a)
2
3
22
2
1
/
( ) ( )
n
n
n
kT
m
vn
b)
8kT
m
v
c)
2
8
3( ) ( )
kT
m
vv
d)
2
2 2 2 2
1
2
3
2
( ) ( )m v v kT
e) Vận tốc có xác suất lớn nhất :
2
0
kT
m
v
Hướng dẫn
Xác suất để vận tốc của hạt có các thành phần ở trong khoảng đã cho là :
( ) ( , , )
i
mv
m
kT
ii
kT
dW v e dv i x y z
2
2
2
Xác suất để độ lớn vận tốc của hạt nằm trong khoảng đã cho là :
()
mv
m
kT
kT
dW v e v dv
2
3
2
2
2
4
Xác suất để động năng của hạt nằm trong khoảng đã cho là :
()
()
kT
dW e d
kT
3
2
a) Ta có
()
mv
n n n
m
kT
kT
v v dW v v e dv
2
3
2
2
2
00
4
.
Đặt
n
mv n
nx
kT
mv kT kT
x v e dv x e dx
kT m m
2
1
1
2
2
2
22
2
2
. Từ đó ta được :
n
nn
nx
n
kT kT
mm
v x e dx
1
3
2 2 2 2
2
22
2
0
.
Trong đó :
()
ax
a x e dx
1
0
là hàm Gamma.
b) Sử dụng kết quả câu a) khi
n 1
, ta có :
/
()
kT kT
mm
v
12
2 2 8
2
c) Ta có
( ) . ( ) ( )v v v v v v v v
2 2 2 2 2
2
. Theo câu b) ta đã có
kT
m
v
8
Áp dụng kết quả câu a) khi
n 2
, ta có
()
kT kT kT
m m m
v
2
3
2 2 5 2 2 3
24
. Từ
đó ta tìm được :
()
kT kT kT
m m m
vv
2
2
3 8 8
3
d) Ta có
.v v v v v v v v
2 2 2
2 2 4 2 2 2 4 2
2
. Áp dụng kết quả câu a) với
n 2
và
n 4
ta có :
()
kT kT
mm
v
2
2 2 5 3
2
và
()
kT kT
mm
v
22
4
7
22
2
15
. Từ đó ta tìm được :
kT kT
mm
m
m v v kT
2
2
2 2 2
2
22
1 3 3
22
15
4
.
e) Từ biểu thức của xác suất
()
mv
m
kT
kT
dW v v e dv
2
3
2
2
2
4
, ta thấy để xác xuất
()dW v
cực đại thì hàm
()
mv
m
kT
kT
f v v e
2
3
2
2
2
4
phải đạt cực đại.
Ta có :
()
mv mv
m mv m mv
kT kT
kT kT kT kT
f v v e ve
22
32
33
22
22
2 4 2
. Từ đó
suy ra :
( ) ,
kT
m
f v v v
2
00
. Lập bảng biến thiên của
()fv
:
v
0
kT
m
2
()fv
0 0 0
()fv
max
f
0 0
Từ đó ta thấy rằng
()fv
đạt cực đại khi
kT
m
v
2
, nói cách khác vận tốc có xác suất lớn
nhất là
kT
m
v
2
0
.
Chú ý : Trong các bài tập trên khi tính toán ta đã sử dụng một số tính chất sau của hàm
Gamma :
( ) ( ) ( ), ( ) ! ( )a a a a n n n1 1 1
và
( )=
1
2
. Khi
đó ta có :
( ) ! , ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
3
5 3 3 3 3 1 3 1 1
2 2 2 2 2 2 2 2 2 4
2 1 1 1 1
và
( ) ( ) ( )=
7 15
5 5 5
2 2 2 2 4
1
.Trong các tập dưới đây, trong nhiều trường hợp ta sẽ
sử dụng công thức sau :
()
m ax
m
m
x e dx
a
1
0
1
Bài 2. Viết phân bố Gibbs cho các dao động tử điều hoà tuyến tính cổ điển và tính giá trị
trung bình của năng lượng của nó .
Hướng dẫn :
Hàm phân bố chính tắc Gibbs có dạng
( , )
( , )
H p q
kT
p q Ae
. Đối với dao động tử điều
hòa tuyến tính
qx
và
( , )
p
mx
m
H x p E
2
22
22
là năng lượng của dao động tử , do
đó phân bố Gibbs cho dao động tử điều hòa tuyến tính có dạng :
()
E
kT
E Ae
. Từ điều
kiện chuẩn hóa
()E dE
0
1
, ta có :
()
EE
kT kT
A e dE A kT e
0
0
11
.AkT 1
, hay
kT
A
1
. Do đó :
()
E
kT
kT
Ee
1
. Năng lượng trung bình :
()
E
kT
E E E dE Ee dE
kT
00
1
. Lấy tích phân từng phần ta được :
( . | ) . |
E E E E
kT kT kT kT
kT
E kT Ee kT e dE e d kT e kT
1
00
00
Bài 3. Thiết lập phương trình trạng thái của hệ khí lý tưởng đơn nguyên tử gồm
N
nguyên tử khí; Biết năng lượng và xung lượng của mỗi hạt khí liên hệ với nhau bởi hệ
thức :
cp
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ :
N
i
i
H cp
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
i
cp
HN
kT kT
ii
NN
i
V
Z e d dr e dp
NN
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
()
i
V
dr V
là thể tích của hệ
i
cp
cp
kT kT
i
e dp e p dp
2
0
4
, sử dụng công thức
!
n ax
n
n
x e d x
a
1
0
ta tìm được :
i
cp
kT
kT
i
c
e dp
3
8
. Thay vào (1) ta được :
!( ) !( )
N
N
N N N
kT kT
cc
NN
i
Z V V V T
NN
33
3
33
1
11
88
22
Trong đó :
!( )
N
N
k
c
N
N
3
3
1
8
2
.
Gọi
P
là áp suất của hệ, ta có :
ln
ln ln ln
Z
NkT
V V V
T
P kT NkT V T3
Từ đó suy ra phương trình trạng thái của hệ là :
PV NkT
Chú ý : trong các bài tập thuộc loại này người ta có thể yêu cầu tính thêm các đại lượng
nhiệt động khác như : năng lượng tự do
F
, entropy
S
, nội năng
U
, nhiệt dung đẳng tích
V
C
, thế Gibbs , enthalpy
H
, nhiệt dung đẳng áp
P
C
. Lúc đó ta sẽ sử dụng các hệ thức
liên hệ giữa tích phân trạng thái
Z
và các đại lượng nhiệt động để tính. Chẳng hạn đối với
bài tập trên ta có :
ln ln ln lnF kT Z NkT V T3
ln
ln ln ln ln .
FZ
T T T
VV
S k Z kT Nk V T NkT
3
3
Hay
ln lnS S Nk V Nk T
0
3
với
lnS Nk Nk
0
3
.
ln
ln ln ln
Z
TT
V
U F TS kT NkT V T NkT
22
33
U
V
T
V
C Nk3
ln ln lnF PV NkT V T NkT3
H U PV NkT NkT NkT34
H
P
T
P
C Nk4
Bài 4. Thiết lập mối liên hệ giữa năng lượng, áp suất và thể tích của hệ khí lý tưởng đơn
nguyên tử gồm
N
nguyên tử . Biết rằng năng lượng và xung lượng của mỗi hạt liên hệ
với nhau bởi hệ thức :
3
( : )cp c const
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ :
N
i
i
H cp
3
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
i
cp
HN
kT kT
ii
NN
i
V
Z e d dr e dp
NN
3
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
()
i
V
dr V
là thể tích của hệ
|
i
cp
cp cp
kT kT kT
i
kT kT
e dp e p dp e
cc
3
33
2
0
0
4
44
33
. Thay vào (1) ta được :
!( ) !( )
N
N
N N N
kT kT
cc
NN
i
Z V V V T
NN
33
33
1
11
44
22
Trong đó :
!( )
N
N
k
c
N
N
3
3
1
4
2
. Gọi
P
là áp suất của hệ, ta lại có :
ln
ln ln ln
Z
NkT
V V V
T
P kT NkT V T
(1)
Năng lượng của hệ
ln
ln ln ln
Z
TT
V
U kT NkT V T NkT
22
(2)
Từ (1) và (2) ta có ngay :
U PV
.
Các đại lượng nhiệt động khác :
ln ln ln lnF kT Z NkT V T
ln
ln ln ln ln .
FZ
T T T
VV
S k Z kT Nk V T NkT
1
Hay
ln lnS S Nk V Nk T
0
với
lnS Nk Nk
0
.
U
V
T
V
C Nk
;
ln ln lnF PV NkT V T NkT
H U PV NkT NkT NkT2
;
H
P
T
P
C Nk2
Bài 5. Thiết lập phương trình trạng thái của hệ khí lý tưởng đơn nguyên tử gồm
N
nguyên
tử.Biết năng lượng và xung lượng của mỗi hạt khí đó liên hệ với nhau bởi hệ thức
4
cp
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ :
N
i
i
H cp
4
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
i
cp
HN
kT kT
ii
NN
i
V
Z e d dr e dp
NN
4
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
()
i
V
dr V
là thể tích của hệ
i
cp
cp
kT kT
i
e dp e p dp
4
4
2
0
4
. Đặt :
//
//
cp
kT kT
kT c c
x p x p dp x dx
4
1 4 3 4
1 4 2 1 4
1
4
Do đó :
//
/
()
i
cp
x
kT kT
kT
i
cc
e dp x e dx
4
3 4 3 4
14
3
4
0
.Thay vào (1) ta được :
//
/
( ) ( )
!( ) !( )
N
N
N N N
kT kT
cc
NN
i
Z V V V T
NN
3 4 3 4
34
33
44
33
1
11
22
Trong đó :
/
()
!( )
N
N
k
c
N
N
34
3
4
3
1
2
.
Gọi
P
là áp suất của hệ, ta có :
ln
ln ln ln
Z
NkT
V V V
T
P kT NkT V T
3
4
Từ đó suy ra phương trình trạng thái của hệ là :
PV NkT
Các đại lượng nhiệt động khác :
ln ln ln lnF kT Z NkT V T
3
4
ln
ln ln ln ln .
FZ
T T T
VV
S k Z kT Nk V T NkT
33
44
Hay
ln lnS S Nk V Nk T
0
với
lnS Nk Nk
3
0
4
.
ln
ln ln ln
Z
TT
V
U F TS kT NkT V T NkT
22
33
44
U
V
T
V
C Nk
3
4
;
ln ln lnF PV NkT V T NkT
3
4
H U PV NkT NkT NkT
7
3
44
;
H
P
T
P
C Nk
7
4
Bài 6. Xác định năng lượng và áp suất của khí lý tưởng gồm
N
hạt chứa trong bình có
thể tích
V
, biết rằng năng lượng của mỗi hạt phụ thuộc vào xung lượng của chúng theo hệ
thức :
0 ( , )ap a
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ :
N
i
i
H ap
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
i
ap
HN
kT kT
ii
NN
i
V
Z e d dr e dp
NN
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
()
i
V
dr V
là thể tích của hệ
i
ap
ap
kT kT
i
e dp e p dp
2
0
4
. Đặt :
//
/
ap
kT kT
kT a a
x p x p dp x dx
3
1
13
12
1
Do đó :
//
()
i
ap
x
kT kT
kT
i
aa
e dp x e dx
3
1
33
3
0
44
.Thay vào (1) ta được :
//
/
( ) ( )
!( ) !( )
N
N
N N N
kT kT
ca
NN
i
Z V V V T
NN
3 4 3
3
4
33
4
33
1
11
22
Trong đó :
/
()
!( )
N
N
k
a
N
N
3
4
3
3
1
2
.
Gọi
P
là áp suất của hệ, ta lại có :
ln
ln ln ln
Z
NkT
V V V
T
P kT NkT V T
3
Năng lượng của hệ :
ln
ln ln ln
Z
TT
V
U kT NkT V T NkT
22
33
Các đại lượng nhiệt động khác :
ln ln ln lnF kT Z NkT V T
3
ln
ln ln ln ln .
FZ
T T T
VV
S k Z kT Nk V T NkT
33
Hay :
ln lnS S Nk V Nk T
0
với
lnS Nk Nk
3
0
.
U
V
T
V
C Nk
3
;
ln ln lnF PV NkT V T NkT
3
H U PV NkT NkT NkT
33
1
;
H
P
T
P
C Nk
3
1
Bài 7. Tìm năng lượng tự do, nội năng và nhiệt dung của một cột khí lý tưởng có chiều
cao
h
, diện tích đáy ở trong trọng trường ở nhiệt độ
T
,biết rằng số hạt khí là
N
.
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ
i
N
p
i
m
i
H mgz
2
2
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
ii
mgz p
HN
kT kT mkT
ii
NN
i
V
Z e d e dr e dp
NN
2
2
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
( ) ( )
( ) | ( )
i
mgh
kT
h
mgz
mgz mgz
kT kT
kT kT kT
i
mg mg
V
e dr dxdy e dz e e
0
0
1
/
()
i
p
p
mkT mkT
i
e dp p e dp mkT
2
2
2 3 2
22
0
42
. Thay vào (1) ta được :
/
[ ( )( ) ]
!( )
N mgh
kT
N
i
kT
Z e mkT
mg
N
32
3
1
1
12
2
//
[ ( )( ) ] ( )
!( )
mgh mgh
N N N N
kT kT
N
kT
e mkT T e
mg
N
3 2 5 2
3
1
1 2 1
2
Trong đó :
/
!( )
N
N
N
k
mk
mg
N
32
3
1
2
2
. Từ đó ta tìm được :
Năng lượng tự do :
ln [ ln ln( ) ln ]
mgh
kT
F kT Z NkT T e
5
2
1
Nội năng :
ln
[ ln ln( ) ln ]=
mgh
Z
kT
TT
V
U kT NkT T e
22
5
2
1
=
mgh
kT
mgh mgh
kT kT
mgh Nmgh
e
kT
ee
NkT NkT
T
2
2
11
55
22
Nhiệt dung :
()
mgh
mgh
kT
kT
mgh mgh
kT kT
e
Nmgh
U
V
TT
V
ee
C NkT Nk Nmgh
2
2
11
55
22
Hay :
()
mgh mgh
kT kT
mgh mgh
mgh
kT kT
kT
V
sh
ee
C Nk Nk
22
2
2
2
22
2
55
22
Bài 8. Trong bình hình lập phương cạnh
L
có chứa
N
phân tử khí lý tưởng ở nhiệt độ
T
.
Bình khí được đặt trong trọng trường. Tìm áp suất tác dụng lên mặt trên của bình
Hướng dẫn : Hàm Hamilton của hệ
i
N
p
i
m
i
H mgz
2
2
1
. Tích phân trạng thái của hệ :
()
!( ) !( )
ii
mgz p
HN
kT kT mkT
ii
NN
i
V
Z e d e dr e dp
NN
2
2
33
1
11
22
(1)
Mặt khác :
()
( ) |
i
mgL
kT
L L L
mgz
mgz mgz
L
kT kT
kT kT kT
i
mg mg
V
e dr dx dy e dz L e L e
22
0
0 0 0
1
/
()
i
p
p
mkT mkT
i
e dp p e dp mkT
2
2
2 3 2
22
0
42
. Thay vào (1) ta được :
/
[ ( )( ) ]
!( )
N mgL
kT
N
i
kT
Z L e mkT
mg
N
2 3 2
3
1
1
12
2
//
[ ( )( ) ] ( )
!( )
mgL mgL
N N N N N
kT kT
N
kT
L e mkT L T e
mg
N
2 3 2 2 5 2
3
1
1 2 1
2
Trong đó :
/
[]
!( )
NN
k
mg
N
mk
N
32
3
1
2
2
. Áp suất tác dụng lên mặt trên của bình
là :
ln lnZZ
dL
V L dV
TT
P kT kT
. Vì
VL
3
nên :
dL
dV
L
dV L dL
2
2
1
3
3
.
Từ đó ta có :
[ ln ln ln( ) ln ] [ + ]=
mgL
mg
mgL
kT
kT
NkT NkT
kT
LL
mgL
LL
kT
e
P L T e
e
22
52
2
33
21
1
( / )
[ + ]= [ + ]
mgL mgL
kT kT
mgL kT
mg
NkT NkT
L kT V
L
ee
2
2 1 2 1
33
3
11
(với
VL
3
)
Bài 9. Hỗn hợp hai khí lý tưởng gồm
1
N
hạt khối lượng
1
m
và
2
N
hạt khối lượng
2
m
chứa
trong một bình hình trụ có chiều cao
h
và điện tích đáy . Bình khí được đặt trong trọng
trường với gia tốc
g
. Tìm áp suất đặt lên mặt trên của bình và vị trí của khối tâm .
Hướng dẫn : Gọi
j
Z
là tích phân trạng thái của hạt loại
( , )jj 12
, ta có :
()
!( ) !( )
i
j j i
j
j
jj
p
H m gz
N
m kT
kT kT
j j i i
NN
i
V
jj
Z e d e dr e dp
NN
2
2
33
1
11
22
Mặt khác :
( ) ( )
( ) | ( )
j i j j m gh
j
kT
jj
h
m gz m gz m gz
h
kT kT
kT kT kT
i
m g m g
V
e dr dxdy e dz e e
0
0
1
/
()
i
jj
p
p
m kT m kT
ij
e dp p e dp m kT
2
2
22
2 3 2
0
42
. Thay vào (1) ta được :
/
[ ( )( ) ]
!( )
j
j
j
j
m gh
N
kT
kT
jj
mg
N
i
j
Z e m kT
N
32
3
1
1
12
2
/
/
[ ( )( ) ] ( )
!( )
jj
j
j j j
j
j
m gh m gh
N
N N N
kT
kT kT
jj
mg
N
j
e m kT T e
N
52
32
3
1
1 2 1
2
Trong đó :
/
[]
!( )
j
j
j
j
N
N
k
jj
mg
N
j
mk
N
32
3
1
2
2
.Tích phân trạng thái của hệ là :
j
j
ZZ
2
1
. Do đó áp suất tác dụng lên mặt trên của bình là :
ln ln
ln
jj
ZZ
Z
dh
V V h dV
T
TT
jj
P kT kT kT
22
11
.
Vì thể tích của hình trụ là :
Vh
nên
dh
dV
1
. Từ đó ta tìm được :
[ ln ln( ) ln ]
m gh
j
j
kT
jj
m gh
j
kT
m gh
N m g
kT kT e
kT
jj
h kT
jj
e
P N T e
22
5
2
11
1
1
Hay :
jj
m gh
j
kT
N m g
j
e
P
2
1
1
1
Nội năng của hệ :
ln
ln
j
Z
Z
TT
V
V
j
U kT kT
2
22
1
= [ ln ln( ) ln ] [ ]
m gh
j
j
kT
j
m gh
j
kT
m gh
m gh
e
kT
j j j
TT
kT
jj
e
kT N T e kT N
2
22
22
55
22
11
1
1
Hay :
()
jj
m gh
j
kT
N m gh
j
j
e
U N kT
2
5
2
1
1
. Gọi
d
E
là động năng trung bình của hệ, theo định lý
phân bố đều động năng ta có :
()
dj
j
E N N kT N kT
2
33
12
22
1
. Từ đó suy ra thế
năng trung bình của hệ là :
()
jj
m gh
j
kT
N m gh
t d j
j
e
E U E N kT
2
1
1
(2)
Nếu gọi
c
z
là tọa độ của khối tâm, ta có :
tc
E Mgz
(3) , với
M N m N m
1 1 2 2
là khối lượng của hệ. Từ (2) và (3) ta tìm được :
()
( ) ( )
jj
m gh
j
kT
N m gh
tt
cj
j
e
EE
z N kT
Mg N m N m g N m N m g
2
1 1 2 2 1 1 2 2
1
1
1
Bài 10. Biết rằng động năng của chuyển động quay của phân tử 2 nguyên tử đối với khối
tâm của chúng bằng :
sin
()
p
q
I
p
2
2
2
1
2
ở đây
I
là moment quán tính đối với khối
tâm phân tử còn
,pp
là xung lượng suy rộng ứng với các tọa độ cầu
,
. Hãy tính :
tổng thống kê, entropy, nhiệt dung ứng với chuyển động quay của phân tử hai nguyên tử
Hướng dẫn : Tích phân trạng thái của chuyển động quay là :
q
kT
q
Z e d
, trong đó :
( , , , <+ )d d d dp dp p p0 0 2
. Từ đó ta có :
sin
p
p
IkT I kT
q
Z d d e dp e dp
2
2
2
2
22
00
. Sử dụng tích phân Poisson :
ax
e dx
a
2
, ta được :
p
IkT
e dp IkT
2
2
2
và
sin
sin sin
p
I kT
e dp I kT IkT
2
2
2
2
22
. Thay vào biểu thức của
q
Z
ta
có :
( ) sin
q
Z IkT d d IkT
2
2
00
28
.
Entropy của hệ :
ln
ln ln( ) ln( )
= ln (8 ) ln( ) ln [ln( ) ]
q
Z
q
TT
V
T
S k Z kT k IkT kT IkT
k IkT kT k IkT k k T k Ik
22
2 2 2
1
88
8 8 1
Nhiệt dung :
{ ln [ ln( ) ]} .
S
k
V
T T T
V
C T T k T k Ik T k
2
81
Bài 11. Cho một khí lý tưởng ở trong hình trụ bán kính đáy
R
, chiều cao
h
. Biết rằng hình
trụ quay quanh trục của nó với vận tốc góc .
a) Xác định áp suất của khí tác dụng lên thành bình.
b)Tìm nội năng của khí.
Hướng dẫn : Khi hình trụ trụ quay quanh trục với vận tốc góc , các hạt khí trong hình
trụ sẽ quay theo với vận tốc góc . Gọi
r
là khoảng cách từ hạt khí tới trục hình trụ, lực
ly tâm tác dụng lên hạt là :
lt
f m r
2
. Lực này liên kết với thế năng ly tâm
()
lt
ur
theo
hệ thức :
()
lt
mr
lt lt lt lt
du
f du f dr m rdr u r
dr
22
2
2
.Từ đó suy
ra, hàm Hamilton của hệ là :
[ ( )] ( )
i i i
NN
p p m r
lt i
mm
ii
H u r
2 2 2 2
2 2 2
11
.
Tích phân trạng thái của hệ :
!( ) !( )
ii
NN
m r p
HN
kT kT mkT
ii
NN
i
V
Z e d e dr e dp
2 2 2
33
11
22
22
1
Sử dụng hệ tọa độ trụ
( , , )rz
, ta có :
| ( )
i
hR
mr
m r m r m R
R
hkT
kT
kT kT kT kT
i
mm
V
e dr d dz e rdr h e e
22
2 2 2 2 2 2
22
2
2
2 2 2 2
0
0 0 0
21
/
()
i
p
p
mkT mkT
i
e dp p e dp mkT
2
2
2 3 2
22
0
42
Thay vào biểu thức của
Z
ta nhận được :
//
!( )
[ ( )( ) ] ( )
N
N m R m R
N N N
hkT
kT kT
Nm
i
Z e mkT T e
2 2 2 2
32
3 2 5 2
2
1
22
2
1
1 2 1
trong đó :
/
!( )
[ ( ) ]
N
NN
kh
Nm
mk
32
32
2
1
2
2
.
a) Áp suất tác dụng lên thành bình :
ln lnZZ
dR
V R dV
TT
P kT kT
.
Vì
V R h
2
nên
dR
dV hR
dV hRdR
1
2
2
. Do đó :
ln
[ ln ln( ) ln ]
mR
kT
mR
kT
mR
mR
e
Z
kT NkT NkT kT
kT
Rh R Rh R Rh
T
e
P T e
22
2
22
2
22
2
5
2
2 2 2 2
1
1
Hay :
( / )
mR
kT
m R kT
NkT
V
e
P
22
22
2
2
1
b) Nội năng của khí :
ln
[ ln ln( ) ln ]
mR
kT
Z
TT
V
U kT NkT T e
22
2
22
5
2
1
[]
mR
kT
mR
kT
mR
e
kT
T
e
NkT
22
22
2
2
22
2
2
52
2
1
, hay :
/
mR
kT
Nm R
e
U NkT
22
22
2
2
5
2
1
Bài 12. Tìm khối tâm của một cột khí lý tưởng nằm trong trọng trường đều, biết rằng gia
tốc trọng trường là
g
, khối lượng một phân tử là
m
và nhiệt độ là
T
.
Hướng dẫn. Gọi
N
là số hạt của hệ , thế năng của hệ là :
N
ti
i
E mgz
1
. Từ đó suy ra
N
ti
i
E mgz
1
(1) . Nếu gọi
c
z
là tọa độ khối tâm của hệ, ta lại có :
tc
E Mgz
(2),
trong đó
M Nm
là khối lượng của hệ. Từ (1) và (2) ta được :
N
ci
i
z mgz
Nmg
1
1
(3)
Để tính
i
z
ta sử dụng hàm phân bố Boltzmann trong trường lực. Biểu thức của hàm phân
bố Boltzmann có dạng :
()
mgz
kT
z Be
. Từ điều kiện chuẩn hóa:
()z dz
0
1
, ta có :
[...]... F pi Hướng dẫn Bài tập Vật lý thống kê – thống kê lượng tử Bài 1 Khảo sát hệ N dao động tử điều hòa tuyến tính độc lập a) Tính năng lượng tự do và entropy của N dao động tử điều hoà tuyến tính độc lập b) Tính năng lượng trung bình, nhiệt dung của N dao động tử điều hoà tuyến tính độc lập N Z1 , Hướng dẫn : Gọi Z là tổng thống kê của hệ, ta có : Z trong đó Z1 e n kT n 0 là tổng thống kê của một dao... (1) Theo định lý phân bố đều động năng ta có : (2) Vì lim kx 4 x 1 virial, ta có : 2 x H x kT 2 1 Từ đó suy ra : 2 x H x 2kx 4 nên lim H Do đó theo định lý x 1 Từ biểu thức của H , ta lại có : 2 x kx 4 kT 2 kT 2 E kT 4 kT 4 1 x 4kx 3 2 H x 2kx 4 (3) Thay (2), (3) vào (1) ta tìm được : 3kT 4 Bài 19 Sử dụng định lý virial, tính năng lượng trung bình của hạt chuyển động trong trường lực có thế năng U... 2kT ) Nk 2 2kT 1 sh( 2kT )2 Bài 2 Tính năng lượng trung bình và nhiệt dung của hệ N dao động tử điều hoà hai chiều (n 1) độc lập có các mức năng lượng n suy biến bội g ( n ) n 1 N Z1 , trong đó Hướng dẫn : Gọi Z là tổng thống kê của hệ, ta có : Z g( Z1 n )e n là tổng thống kê của một dao động tử Vì phổ năng lượng của dao kT n 0 động tử điều hòa hai chiều là : (n nên, ta có : Z1 1)e (n n (n 1) 1) [... 1)(n 2) 2 n) N Z1 , với Z1 Hướng dẫn : Gọi Z là tổng thống kê của hệ, ta có : Z n g( n )e kT là n 0 tổng thống kê của một dao động tử Vì phổ năng lượng của dao động tử điều hòa hai chiều là: (n n 3) 2 Z1 n 0 0, 1 ) có bội suy biến g( n ) (n (n (n 1)(n 2) e 2 3) 2 kT [ Năng lượng trung bình của hệ : E Hay : E kT 2 3N 2 ln Z T V coth 3NkT 2 2kT nên, ta có : ]3 Từ đó ta tìm được : Z 1 2sh( (n 1)(n 2) 2... làm 2: H và H tương ứng với các moment từ - và + song song hay đối song với từ trường H Giả sử hệ gồm N hạt như thế được đặt trong từ trường H ở nhiệt độ T Sử dụng phân bố chính tắc Gibbs , xác định nội năng, nhiệt dung, moment từ của hệ Hướng dẫn : Gọi Z là tổng thống kê của hệ, ta có : Z N Z1 , trong đó Z1 e n kT n là tổng thống kê của một hạt Vì hạt chỉ có hai mức năng lượng là nên : Z1 H kT e... 2 2 x E Do đó, năng 2 2 2 (2) Vì 1 Do đó theo định lý virial, ta có : 2 x m (1) Theo định lý phân bố x lim kT 2 m 2 2 x 2 nên Từ biểu thức của H , ta 1 lại có : 2 x H x 2 2 m x H x 1x 2 2 2 2 m x 2 kT 2 E kT 2 kT 2 (3) Thay (2), (3) vào (1) ta tìm được : kT Bài 18 Sử dụng định lý virial, tính năng lượng trung bình của dao động tử có thế năng kx 4 u(x ) p2 2m Hướng dẫn: Hàm hamilton của dao động... 2 2kT 3Nk 2 2kT 1 sh 2 2kT ) ) Bài 4 Xác định năng lượng trung bình của hạt có các mức năng lượng không suy biến : ( : const ; 0, 1, , n 1) n 1 Hướng dẫn Tổng thống kê của hạt Z1 n 1 e 0 Năng lương trung bình : E kT ln Z1 T 2 n kT 2 2 kT [ 1 e 0 2 kT e kT n kT kT 2 n kT [ln(1 T e 1 e e n kT 1 e e kT 1 e kT n kT ) ln(1 kT )] e kT n ] e kT kT n e kT 1 1 Bài 5 Nếu hạt có spin 1/2 đặt trong từ trường... p kT 2 q 2n E Do đó, năng lượng trung q 2n (1) Theo định lý phân bố đều động năng ta có : (2) Vì q lim 1 virial, ta có : 2 q H q kT 2 1 Từ đó suy ra : 2 q H q n q 2n q 2n nên lim H 1 Từ biểu thức của H , tacó : 2 q q 2n kT 2 E Do đó theo định lý x kT 2 kT 2n kT 2n kT 2 H q 1 q 2n 2 q 2n 1 n q 2n (3) Thay (2), (3) vào (1) ta được : 1 n 1 Bài 20 Chứng minh các hệ thức sau : a) F H qi kT F qi (H khi... NkT Nk Bài 17 Sử dụng định lý phân bố đều động năng theo các bậc tự do và định lý virial dưới dạng: qi H qi pi H qi , tính năng lượng trung bình của dao động tử điều hoà tuyến tính p2 2m Hướng dẫn Hàm Hamilton của dao động tử là : H lượng trung bình của dao động tử là : E đều động năng ta có : x lim H p2 2m H 1p H 2 p p2 2m kT 2 m x 2 H x 2 2 x E Do đó, năng 2 2 2 (2) Vì 1 Do đó theo định lý virial,... 1)e (n n (n 1) 1) [ kT n 0 (n 1 ]2 2sh( 2kT ) 0, 1 ) có bội suy biến g( n ) [ Từ đó ta nhận được : Z n 1 2 sh( 2kT ) 1 ]2N Năng lượng trung bình của hệ : kT 2 E Hay : E coth N 2NkT 2 ln Z T V ch( 2NkT 2 ln[2sh( 2kT )]= T 2kT 2 sh( 2kT 2kT ) ) 2kT Nhiệt dung : E T V CV coth T N 1 N 2kT 2kT 2 2 sh 2 2Nk 1 2kT sh 2kT 2 2kT Bài 3 Tính tổng thống kê và năng lượng trung bình của dao động tử 3 chiều mà
Ngày đăng: 27/02/2014, 16:06
Xem thêm: Bài tập vật lý thống kê - có đáp án, Bài tập vật lý thống kê - có đáp án